close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Бартенев И. М. Проектирование машин лесного комплекса

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
И. М. Бартенев
П. И. Попиков
Д. Ю. Дручинин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА
Учебное пособие
Воронеж 2013
3
УДК 630* : 65.011.54
Бартенев, И. М. Проектирование машин лесного комплекса: учеб. пособие [Текст] / И. М. Бартенев, П. И. Попиков, Д.Ю. Дручинин, Воронеж:
ФГБОУ ВПО ВГЛТА., – 2013. – 456 с.
В учебном пособии изложены общие положения организации и проведения разработки новых машин, их испытаний; методы и этапы проектирования и
расчета рабочих органов корчевальных машин, плугов, культиваторов, дисковых орудий, почвообрабатывающих фрез и ямокопателей; лесных сеялок и посадочных машин; машин и оборудования для сбора и обработки лесных семян;
опрыскивателей и опыливателей; опорных колес, полозьев, карданных передач,
вентиляторов, навесных и других устройств. Освещены вопросам проектирования рабочих органов и технологического оборудования самоходных лесных
машин для рубок ухода, а также результаты исследований и методических разработок авторов. Приводятся теоретические и практические данные для расчета
и проектирования срезающих механизмов для валки деревьев, рабочих органов
кусторезов, сучкорезных и рубильных машин, захватных устройств и гидроманипуляторов. Приведены необходимые для проектирования сведения о технических свойствах обрабатываемых материалов, основные требования, предъявляемые к машинам.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 151000.62 «Технологические машины и оборудование»
УДК 630*: 65.011.54
 Бартенев И.М., Попиков П.И.,
Дручинин Д.Ю, 2013
 ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная
лесотехническая академия», 2013
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Раздел первый. Общие положения и организация работ по
разработке и постановке машин на производство
Основные направления решения научных и технических задач
создания и совершенствования машин
1.1 Роль машин в современном лесном комплексе
1.2 Формирование задачи и общие принципы конструирования
1.3 Основные требования, предъявляемые к машине
1.4 Долговечность и срок службы машин
1.5 Надежность и жесткость конструкции
1.6 Масса, металлоемкость машин и способы их снижения
1.7 Конструктивная унификация и универсализация машин
1.8 Способы агрегатирования машин и соединения их с энергетическими
средствами
13
14
14
14
14
16
21
23
25
27
30
Система автоматизированного проектирования
32
1.9 Понятие о методах проектирования
1.10 Система автоматизированного проектирования
1.11 Технология автоматизированного проектирования
32
34
39
Основы художественного и эргономического конструирования
машин
1.12 Дизайн и техническая эстетика
1.13 Эргономика
1.14 Патентное обеспечение конструирования
Организация работ по разработке новой техники лесного комплекса
1.15 Общая схема процесса разработки машины
41
41
46
49
54
55
5
1.16 Характеристика технической документации
1.17 Функции заказчика, разработчика, изготовителя и потребителя
новой техники
Испытания лесных машин
1.18 Общие положения
1.19 Техническая экспертиза
1.20 Лабораторно-полевые испытания
1.21 Испытания в хозяйственных условиях
1.22 Экономическая оценка
1.23 Оценка условий труда
Раздел второй.
Почвообрабатывающие машины
Теоретические основы проектирования плугов
2.1 Физико-механические и технологические свойства почв
2.2 Виды обработки почв и классификация почвообрабатывающих
машин
2.3 Теоретические основы процесса вспашки
2.4 Процесс работы лемешного плуга
Расчет и проектирование лемешных плугов
2.5 Проектирование отвалов с горизонтальными образующими
2.6 Проектирование отвалов с нелинейчатыми поверхностями
2.7 Особенности проектирования отвала плуга для бороздной вспашки
при использовании криволинейной направляющей и образующих с
переменным радиусом кривизны
2.8 Расчет и проектирование рабочих органов лемешных плугов и
лущильников
2.9 Расстановка рабочих органов на раме плугов
2.10 Силы, действующие на навесной плуг и условия равновесия
56
62
66
66
68
68
72
74
75
77
77
77
86
89
94
98
98
111
117
118
128
133
6
2.11 Проектирование лемешно-отвальной поверхности корпуса плугаканавокопателя
Дисковые почвообрабатывающие орудия
2.12 Типы и назначение дисковых орудий и параметры дисков
2.13 Расчет и проектирование орудий батарейного размещения дисков
2.14 Проектирование и расчет дисковых плугов и дискаторов
Лаповые культиваторы
2.15 Назначение и классификация
2.16 Рабочие органы культиваторов
2.17 Способы крепления рабочих органов к раме
2.18 Проектирование стрельчатых лап
2.19 Определение основных параметров культиваторов
2.20 Построение кинематических и компоновочных схем
2.21 Определение усилий в звеньях навесных культиваторов
2.22 Расчет рабочих органов на прочность
Фрезерные почвообрабатывающие машины
2.23 Назначение и классификация
2.24 Рабочие органы
2.25 Кинематические параметры технологического процесса
2.26 Усилия, действующие на нож фрезы
2.27 Расчет мощности при работе фрезы
2.28 Определение основных параметров фрезы
2.29 Построение кинематических схем фрез
2.30 Расчет основных узлов и деталей
Ямокопатели
2.31 Определение основных параметров
138
143
143
145
148
155
155
156
157
158
161
164
168
169
171
171
172
174
179
179
182
183
185
189
189
7
2.32 Построение кинематической схемы ямокопателя
2.33 Расчет основных узлов и деталей ямокопателя
193
197
Раздел третий. Посевные и лесопосадочные машины
200
Лесные сеялки
200
3.1 Способы посева лесных семян и агротехнические требования к
посевным машинам
3.2 Общий порядок проектирования лесной сеялки
3.3 Расчет семенного бункера посевных машин
3.4 Расчет высевающих аппаратов
3.5 Проектирование семенной коробки
3.6 Расчет параметров семяпроводов
3.7 Сошники и заделывающие органы
3.8 Вспомогательные части сеялок
Лесопосадочные машины
3.9 Общее устройство и классификация лесопосадочных машин
3.10 Сошники
3.11 Посадочные (подающие) механизмы
3.12 Рабочие органы для заделывания корней
3.13 Кинематическая связь бороздообразующих и
почвозаделывающих рабочих органов
Раздел четвертый. Машины и механизмы для сбора,
переработки и очистки лесных семян
Машины и механизмы для сбора семян и плодов
4.1 Способы сбора семян
4.2 Машины и механизмы для сбора лесных семян
200
201
203
205
215
216
218
226
228
228
230
234
238
241
244
244
244
244
8
Машины для очистки и сортирования семян
4.3 Физико-механические свойства семян и примесей
4.4 Классификация воздушных систем семяочистительных машин
4.5 Вертикальный воздушный канал
4.6 Наклонный воздушный канал
4.7 Вентиляторы
Решетная очистка и сортировка семян
249
249
252
253
256
257
261
4.8 Конструкция решет
4.9 Выбор решет
4.10 Расчет основных параметров плоских решет
261
263
264
Другие машины для очистки и сортирования семян
269
4.11 Фрикционная очистка
4.12 Вибрационные семяочистительные машины
4.13 Пневматический сортировальный стол
4.14 Магнитные сепараторы
4.15 Электрические сепараторы
269
273
274
275
276
Раздел пятый. Расчет и проектирование питателей
5.1 Шнековые питатели
5.2 Планчатые питатели
5.3 Вибрационные питатели
Раздел шестой. Машины для химической защиты растений
6.1 Методы защиты растений
6.2 Исходные требования к машинам для химической борьбы с
вредителями, болезнями и сорняками
6.3 Расчет и проектирование рабочих органов опрыскивателей
279
279
282
284
287
287
288
289
9
6.4 Конструктивные параметры рабочих органов опыливателей
6.5 Основные параметры вентиляторов опыливателей
6.6 Распыливающие устройства
Раздел седьмой. Машины и оборудование для лесорасчистки
7.1 Корчевальные машины
7.2 Расчет гидроцилиндров
7.3 Тракторные кусторезы
Раздел восьмой. Расчет отдельных механизмов
лесохозяйственных машин
8.1 Расчет опорных колес
8.2 Расчет основных параметров опорных полозьев
8.3 Расчет и проектирование навесного устройства орудия
8.4 Расчет предохранительных устройств лесохозяйственных машин
8.5 Расчет устойчивости агрегата
Раздел девятый. Назначение и параметры современных
конструкций самоходных лесных машин
9.1 Специализированные лесозаготовительные машины
9.2 Анализ существующих конструкций харвестеров
Раздел десятый. Техническое задание на проектируемое
оборудование
10.1 Наименование и область применения
10.2 Основание для разработки
10.3 Цель и назначение разработки
10.4 Источники разработки
10.5 Технические требования
10.6 Экономические показатели
298
301
304
306
306
312
314
317
317
321
323
329
335
337
337
347
354
354
354
354
355
355
361
10
10.7 Стадии и этапы разработки
10.8 Порядок контроля и приёмки
361
362
363
Раздел одиннадцатый. Проектирование гидроманипуляторов
11.1 Определение геометрических параметров манипулятора
11.2 Построение зоны действия манипулятора
11.3 Расчёт усилий в гидроцилиндрах и выбор параметров
11.4 Расчёт на прочность элементов манипулятора
363
365
366
370
374
Раздел двенадцатый. Оптимизация положений стандартных
гидроцилиндров манипулятора
12.1
Оптимизация
положений
стандартных
гидроцилиндров
манипулятора при статическом и динамическом режимах нагружения
374
Раздел тринадцатый. Совмещение операций подъема стрелы и
вращения рукояти манипулятора
382
13.1 Целесообразность совмещения подъёма стрелы и вращения рукояти
манипулятора
13.2 Порядок решение задачи совмещения рабочих операций
13.3 Численный метод решения системы дифференциальных уравнений
процессов подъёма стрелы и вращения рукояти
13.4 Исследование эффективности совмещения рабочих операций
манипулятора
382
391
394
Раздел четырнадцатый
Проектирование захватных устройств для лесных грузов
14.1 Типы захватных устройств и исходные данные для
проектирования
14.2 Определение геометрических параметров челюстей грейфера
14.3 Расчет работы зачерпывания и выбор гидроцилиндра грейфера
384
389
их
394
394
397
11
14.4 Расчет на прочность челюстей грейфера
14.5 Проектирование грейферов для сыпучих грузов
398
403
Раздел пятнадцатый. Проектирование кониковых зажимных
устройств
15.1 Расчет коников на прочность
405
407
Раздел шестнадцатый. Расчет и проектирование захватных
устройств харвестеров
412
16.1 Натяг дерева при его срезании
16.2 Отрыв дерева от пня после срезания
16.3 Перенос дерева в вертикальном положении
16.4 Подтаскивание дерева за комель при волочащейся вершине
16.5 Наклон дерева в положение от машины
16.6 Силы, действующие на захватный рычаг с роликом
412
414
415
417
419
422
Раздел семнадцатый. Проектирование и расчет
срезающего устройства харвестерной головки
425
ножевого
17.1 Проектирование срезающих устройств ножевого типа
17.2 Выбор принципиальной схемы механизма
17.3 Кинематический анализ ножевого срезающего механизма
17.4 Определение усилия резания ножевых срезающих механизмов
17.5 Расчет гидропривода НСУ
425
425
426
429
430
Раздел восемнадцатый. Оценка компоновки самоходной
машины. Описание конструкции и технологического процесса
432
18.1 Требования к компоновке лесных машин
18.2 Постановка задачи компоновки лесной машины
18.3 Расчет положения центра тяжести лесной машины при установке на
трактор технологического оборудования
432
432
433
12
18.4 Приведение сил к корпусу трактора
18.5 Запас статической устойчивости
18.6 Продольная устойчивость колесных тракторов
18.7 Продольная устойчивость гусеничных тракторов
18.8 Боковая устойчивость лесных машин
18.9 Оценка компоновки технологического оборудования на базовой
машине
18.10 Описание конструкции спроектированной машины
436
439
440
441
442
444
Библиографический список
452
445
13
ВВЕДЕНИЕ
При разработке конструкции каждой новой машины (почвообрабатывающей, посевной, посадочной, лесозаготовительной и др.) учитываются исходные (лесо- и агротехнические требования), тип и мощность трактора, способ
его сочленения с машиной, условия эксплуатации машин и достижения в смежных областях науки и техники. Любое существенное изменение одного из перечисленных факторов влечет необходимость полного или частичного изменения
конструкции машин.
Вновь создаваемая машина должна обладать лучшими техникоэкономическими и лесоводственно-экологическими показателями, чем существующая того же назначения. Это означает повышение качества технологических операций, более полное выполнение требований к работе машины, увеличение производительности труда, обеспечение безотказности в работе, увеличение срока ее службы, а также снижение энергетических и ресурсных затрат
на производство машин и их эксплуатацию.
Конструкция разрабатываемой машины и рабочий процесс, выполняемый
ею, по своему техническому уровню должны быть не ниже лучших мировых
достижений, а даже опережать не менее, чем на 10 лет. Только в этом случае
новая техника будет конкурентоспособной и иметь спрос на внутреннем и
внешнем рынке. В связи с этим задачей конструкторов является изыскание эргономических и дизайнерских решений, которые делали бы машину внешне
более привлекательной для покупателя и делали работу операторов комфортной и производительной.
Следует отметить, что процесс развития конструкции лесохозяйственных
машин, в свою очередь, оказывает существенное влияние на развитие лесоводственной науки, смежных областей техники, а также конструкции тракторов.
Так, изобретение плугов с комбинированными рабочими органами пассивного и
активного действия повлекло за собой переоценку способов обработки почвы под
защитные лесные насаждения и создало предпосылки для существенного уменьшения сцепного веса тракторов. Или появление машин для измельчения надземной части пней привело к применению технологии сплошной обработки почвы на
вырубках, сельскохозяйственных тракторов типа ДТ-75М. Поэтому при разработке конструкции новых машин следует учитывать широкий круг вопросов, относящихся к различным областям технических и лесоводственных наук.
14
Раздел первый
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ
ПО РАЗРАБОТКЕ И ПОСТАНОВКЕ МАШИН НА
ПРОИЗВОДСТВО
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕШЕНИЯ
НАУЧНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ СОЗДАНИЯ
И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАШИН
1.1 Роль машин в современном лесном
комплексе
Начало истории машинизации лесного хозяйства относится к 30-м годам
двадцатого столетия, когда начали применять сельскохозяйственные, в основном, почвообрабатывающие орудия. Из специальных лесных машин первыми
появились лесопосадочные машины.
Интенсивная разработка и применение специальных лесных машин относится к 50-м годам, когда приступили к реализации Великого плана преобразования природы, когда в послевоенные годы резко возросли объёмы лесозаготовок в связи с восстановлением разрушенного народного хозяйства. Наряду с
широким применением плугов, культиваторов и дисковых борон, заимствованных из сельского хозяйства, были разработаны и переданы производству лесные
сажалки, сеялки, опрыскиватели и опыливатели; для лесовосстановления на вырубках – двухотвальный плуг ПЛ-70, корчеватели, сажалки и культиваторы.
В 60-70-х годах поступили на производство кусторезы, кустарниковоболотные плуги, более совершенные корчеватели, лесные плуги, сажалки, сеялки и культиваторы. Практически были разработаны машины для всех технологических процессов и операций. В дальнейшем шёл процесс совершенствования конструкций машин, а также создания новых машин для защитного
лесоразведения и лесного хозяйства,
Лесохозяйственное производство в 80-90-х годах имело специальных лесохозяйственных машин около 200 наименований и заимствованных из других
15
отраслей 140 машин различного назначения. Все эти машины представлены в
виде системы машин и объединены в 39 технологических комплексов. В их
число входят комплексы машин для сбора и обработки семян, выращивания посадочного материала, лесных культур на вырубках с почвами различной степени увлажнения, на склонах разной крутизны; для создания защитных лесных
насаждений на сельскохозяйственных полях, овражно-балочных склонах и песках; для проведения различных видов рубок ухода, для борьбы с вредителями,
болезнями леса и лесными пожарами.
Для того чтобы понять роль механизации в лесохозяйственном производстве, в освобождении человека от ручного труда, следует отметить некоторые особенности работы лесохозяйственных машин, к этим особенностям относятся: взаимодействие машин с материалами, в которых происходят биологические процессы, то есть с почвой, растениями и живыми организмами; сезонность, ограниченная небольшими агротехническими сроками; работа под открытым небом при высоких и низких температурах, во время дождей и снегопадов, на вязких, песчаных и каменистых почвах, на неровных и горных участках, на открытых площадях и вырубках, в условиях, опасных для жизни человека.
Перечисленные особенности, с учётом больших объёмов работ и недостатка рабочей силы в основных лесных районах, выдвинули необходимость
организации разработки специальной десной техники, широкого внедрения
средств механизации и автоматизации. В годы, предшествующие началу перестройки, уровень механизации составлял по подготовке почвы – 85-95%; по посадке и посеву – 62%; уходу за культурами – 59%; рубкам ухода – 37%.
Годы перестройки и перехода к рыночной экономике оказали свое влияние на направление в развитии лесохозяйственной техники. Современное лесное хозяйство требует технику широкого диапазона – от энергонасыщенных и
мощных для выполнения энергоёмких производственных процессов и операций
до минитехники, приспособлений и устройств. Производство переходит от узкоспециализированных к универсальным и комбинированным машинам, к созданию и внедрению средств автоматизации и управления, регулирования и контроля за работой отдельных элементов, механизмов и машин в целом с целью
облегчения труда человека, повышения производительности и качества выполняемой работы.
16
Приобретают ещё большее значение такие направления, как широкая
унификация сборочных единиц и деталей машин; повышение надёжности и
долговечности конструкций; применение новых прогрессивных материалов,
новых технологических приёмов и др. При создании новых машин повышаются
требования к удобству, комфортабельности и безопасности эксплуатации; конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынке.
1.2 Формулирование задачи и общие принципы
конструирования
Типовая схема разработки новой машины и нового оборудования представляет собой последовательно – параллельную взаимосвязь основных этапов:
анализ потребности и спроса, определение требований смежных областей, цели
и функции, изучение сферы применения и эксплуатационных условий, формирование принципа действия, синтез системы человек-машина, общее проектирование, рабочее конструирование, технологическая проработка, наладка и испытание опытного образца, комплексное испытание и оценка системы человекмашина, доработка конструкции и технологии изготовления, комплектование и
оформление документации.
Основные этапы сопровождаются поиском аналогов и прототипа, расчётом, моделированием и увязкой механики и управления, художественной проработкой, патентными исследованиями, экономическим расчётом, выявлением
изобретений, оформлением притязаний на приоритет технических решений и т.п.
Взаимосвязь этапов предусматривает их переплетение и нечёткость границ. При этом процесс совершенствования машин – непрерывный. Новые поколения машин должны разрабатываться также непрерывно.
Непрерывность процесса разработки означает, что, как только завершается работа над машинами одного поколения, а возможно и до завершена работы,
формируются задачи, связанные с совершенствованием машин разработкой нового поколения. Естественно, постоянно учитывается опыт эксплуатации, тенденции спроса, рынки сбыта, мода на принципиальную схему, внешний вид,
степень и характер автоматизации. Период появление новых машин и машин
нового поколения не должен превышать период морального старения предшествующего поколения.
17
Конструирование тесно связано с научными исследованиями. При этом
важными решениями являются не только получение и оптимизация новых схем
и конструкций, обоснование правильности выбора материалов, синтез новых
материалов, разработка новых, более точных методов расчёта на прочность и
износостойкость, методов испытаний и диагностики, но и разработка методов
оценки и прогнозирования технического уровня, определения требуемых потребительских качеств, экономического анализа создаваемой продукции.
Только при достаточной подготовленности науки, при соответствующих
научных результатах возможно поставить и решить задачу создания машин более совершенных по своим параметрам и качествам по сравнению известными
в мире машинами.
Создание принципиально новой машины или совершенствование существующей машины начинается с чёткого формулирования её функциональных
признаков, т.е. того, что должна делать машина, какую выпускать продукцию,
какие осуществлять технологические процессы и т.п. Этот вопрос может быть
решён только при изучении всего осуществляемого технологического процесса
или комплексов процессов, возможностей совершенствования процесса.
Конструируемая машина – это элемент существующей системы и определение её эксплуатационных показателей, осуществляется во взаимодействии с
окружающей средой, с интеллектуальным уровнем и потребностям человека.
Из числа создаваемых основных эксплуатационных и технике экономических
показателей в первую очередь определяют производительность, точность воспроизведения заданного процесса, надёжность, стоимость изготовления и эксплуатации (в расчёте на единицу продукции), степень загрязнения среды, уровень шума и вибраций, приспособляемость к человеку (удобство и безопасность управления и обслуживания), внешний вид и др., а также производные
показатели: габаритные размеры, массу, использование дефицитных материалов при изготовлении, использование ручного труда, ремонтопригодность,
энергопотребление и пр.
С учётом эксплуатационных и технико-экономических показателей определяют перечень технических параметров, в который, в частности, входят:
грузоподъёмность, тяговая способность, устойчивость, долговечность, КПД,
скорость перемещений, манёвренность, рабочее пространство, зона обслуживания, автоматизация управления и др.
18
Совокупность показателей принимается в зависимости от назначения,
объёмов тиражирования, состояния рынка сбыта.
На первом этапе определяют пределы или диапазоны показателей параметров или формируют качественные требования. В последующем определяют в этих пределах ряды параметров, возможные типоразмеры ряда машин,
возможные составные унифицированные части (модули) и основные детали.
Уточнение ряда параметров, ряда типоразмеров, характера компоновки машин
из модулей проводят на всех этапах конструирования машин.
При переходе к этапу оптимизации конструкции приобретают первостепенную роль физического и математического моделирования процесса, схемы,
конструкции. Используя современные математические методы и компьютеры,
оптимизируют параметры и режимы работы машины и отдельных её рабочих
органов.
Любое направленное научное исследование должно завершаться изобретением. Поэтому, прежде чем приступить к решению какой-либо задачи, надо изучить всё известное в данной области. Необходимо иметь также представление о решениях - аналогах подобных задач в смежных областях техники.
В каждом случае техническое решение задачи должно осуществляться на альтернативной основе. При этом нужно иметь уверенность, что в поле зрения попали все известные решения подобных задач и все возможные решения данной
задачи.
Современные методы синтеза и технические средства позволяют решить
данную задачу с исчерпывающей полнотой. Не следует пренебрегать интуицией и опытом конструктора. Найти границу между средствами из разных областей техники при решении одной задачи – это один из важнейших этапов математического описания и осуществления конструкции. Речь идёт о распределении функции между системой управления, приводом, передачей движения и
исполнительным устройством. Выбор оптимального решения такой задачи, если можно в настоящее время говорить о таковом, - это, прежде всего, результат
творчества конструктора.
При этом следует иметь в виду, что принцип перераспределения функций
широко используется и для средств из одной и той же области техники. Например, могут перераспределяться функции между несущими элементами, между
несущей и функциональной частями конструкции. Принцип перераспределения
19
функций предусматривает не только конструктивное совмещение элементов и
упрощение схемы, но и обратное действие – разделение функций.
При конструировании машины должны решаться вопросы долговечности
и срока службы машины, надёжности и жёсткости конструкции, оптимизации
металлоёмкости машины. Из условий технологичности следует максимально
унифицировать детали, сборочные единицы, отдельные блоки, использовать базовые детали и машины для различных комплексов. Определяющим критерием
унификации является экономичность при изготовлении и эксплуатации.
На всех этапах конструирования проводятся патентные исследования,
обеспечивается патентная чистота создаваемой машины и её частей, используемых материалов при изготовлении и эксплуатации, способов воспроизведения рабочих процессов, способов изготовления деталей, способов сборки.
Из патентных и эстетических соображений решается вопрос о внешнем
виде машины в целом. Не следует откладывать художественную проработку
машины на последние этапы конструирования. Должен соблюдаться главный
принцип при конструировании – это приспособленность машины к человеку и к
окружающей природе. Этот принцип предусматривает обеспечение не только
безопасности для жизни и здоровья человека, но и комфортабельных условий
для людей, участвующих в эксплуатации машины.
Отмеченные общие принципы конструирования показывают, насколько
это сложный и неоднозначный процесс. Решить все проблемы в современных
условиях без проведения научных исследований, без привлечения ЭВМ не под
силу самому талантливому конструктору или коллективу.
Создание САПР облегчает конструирование машин, но оно не менее трудоёмко, чем создание машины, и требует не меньшего таланта. На данном этапе
ЭВМ может рассматриваться как помощник конструктора в проведении патентного поиска, в проведении типовых расчётов, в выполнении чертежей, разработке технологических процессов и других трудоёмких работ. Но в целом
новый замысел, идеология конструирования, решение сложных научных и технических задач немыслимо без таланта и знаний разработчика.
1.3 Основные требования, предъявляемые к машине
При проектировании и разработке машин необходимо руководствоваться
20
следующими требованиями:
– обеспечить высокую прочность деталей способами, не требующими
увеличения их массы (придание деталям рациональных форм, применение материалов повышенной прочности, введение упрочняющей обработки);
– предупреждать коррозию деталей (применять стойкие лакокрасочные и
гальванические покрытия, изготавливать детали из коррозийно-устойчивых материалов);
– сокращать объем механической обработки деталей (изготавливать из
заготовок с формой, близкой к окончательной форме изделия, заменять механическую обработку другими видами, исключающими снятие стружки);
– широко применять стандартные и унифицированные детали, узлы и агрегаты;
– придавать металлоконструкциям высокую жёсткость (применять пустотелые профили, рационально располагать опоры, блокировать деформации
поперечными и диагональными связями);
– вводить упругие элементы в узлы, работающие при циклических и динамических нагрузках;
– вводить автоматические регуляторы, предохранительные и предельные
устройства, исключающие возможность эксплуатации машин на опасных режимах;
– вводить одноразовую сезонную смазку трущихся деталей;
– уменьшить массу машины за счёт увеличения компактности конструкции, применения рациональных кинематических и силовых схем, лёгких
сплавов и неметаллических материалов;
– обеспечить максимальную технологичность изготовления машин,
увеличивать их надёжность и долговечность;
– обеспечивать высокую наработку на один отказ машины и гарантию
на установленный срок;
– увеличивать моральный срок службы машины, т.е. закладывать в
конструкцию высокие исходные параметры и перспективные технические
решения. Это требование особенно важно в настоящее время и будет иметь
большое значение в будущем, когда страна начнёт выходить из кризиса. Тогда
ей потребуются машины, с которыми она сможет выйти на внешний рынок;
– придавать машинам простые внешние формы и эстетический вид;
21
– сосредотачивать органы управления и контроля по возможности на одном месте, удобном для обзора и манипулирования, обеспечивать максимальные удобства и минимальную трудоёмкость при воздействии на рычаги
управления;
– делать доступными и удобными для осмотра узлы и механизмы, нуждающиеся в периодической проверке;
– создавать оптимальные условия для операторов, обслуживающих многооперационные машины. Раньше этому требованию не придавали особого
значения и внимания. Но теперь потребитель другой. Он прекрасно понимает,
что, создавая хорошие условия на месте оператора, можно ожидать высокую
производительность.
1.4 Долговечность и срок службы машин
Долговечность – свойство машины сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Показателями долговечности являются ресурс и срок
службы.
Ресурс характеризуется наработкой машины до предельного состояния,
оговорённого в технической документации. Фактический ресурс
H
Hф  p ,
p
Нр – расчётный ресурс;
ηр – коэффициент режима, учитывающий влияние условий работы;
ηр=0,7…0,8 – для лёгких условий, ηр=1 – для средних и ηр=1,2…1,5 – для
тяжёлых.
Ресурс машины можно повысить, увеличив прочность ее конструкции,
выбрав соответствующие данным условиям материалы, увеличив твёрдость
трущихся поверхностей, усовершенствовав технологичность конструкции и т.п.
Срок службы определяют как календарную продолжительность эксплуатации машины до момента возникновения предельного состояния. Срок
службы машины может быть подразделён на три вида: физический, моральный
и экономический.
На физический срок службы влияют естественный износ машины, прежгде
22
девременный износ из-за нарушения правил технической эксплуатации; поломки и аварии, низкое качество применяемых материалов, некачественное производственное изготовление, местные непредвиденные тяжёлые условия эксплуатации и др.
Моральный срок – это когда машина, хотя и сохраняет свою физическую
работоспособность, но по своим показателям перестаёт удовлетворять производство в силу повышения требований или появления более совершенной новой машины. Моральный срок службы обусловлен техническим прогрессом в
производстве машин, внедрении новых технологических процессов, появлении
принципиально новых более совершенных машин.
Экономический срок службы характеризуется факторами экономического
анализа физического и морального сроков службы. Экономический срок определяется периодом, когда машина приносит предприятию прибыль.
Для повышения срока службы машины необходимо проводить следующие мероприятия:
1. При компоновке предусматривать быстросъёмные сборочные единицы
и детали. Это сохраняет время их работы.
2. При изготовлении машины выбирать качественные износостойкие, антикоррозийные материалы, улучшать обработку деталей и процессы сборки,
совершенствовать систему смазки и др.
3. Своевременно выполнять профилактический ремонт и соблюдать правила хранения машин.
4. Использовать автоматические предохранительные устройства от перегрузок.
5. Повышать квалификацию обслуживающего персонала. Ориентировочно срок службы машины определяется по формуле
Hф
Cc 
,
 p ис
где
ηис – коэффициент технического использования машины,
W
ис  r ,
F
Wr – общее число фактической работы машины за год;
F – годовой фонд рабочего времени, ч.
23
1.5 Надёжность и жёсткость конструкции
Под надёжностью понимают свойство машины выполнять заданные
функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в
течение требуемого интервала времени при определённых, заранее предусмотренных условиях эксплуатации.
Надёжность машины определяют следующие основные факторы:
– правильный выбор и обоснование эксплуатационных параметров, совершенство конструкции, т.е. прочность, жёсткость, износостойкость, технологичность и точность сборки; качество изготовления и нормальные условия
эксплуатации.
Надёжность характеризуется следующими признаками:
– высокая долговечность, безотказность и стабильность действия; способность выдержать временные перегрузки в предусмотренных пределах;
простота обслуживания и ухода; большие межремонтные сроки; малый объём
ремонтных работ.
При определении надёжности исходят из понятия отказа машины, длительности бесперебойной работы между отказами, степени тяжести отказов,
стоимости и длительности работ по устранению отказов. По ГОСТ 13377-75
надёжность характеризуется коэффициентом готовности. Под ним понимается,
что проектируемая машина будет сохранять работоспособность в произвольно
выбранный момент времени в промежутках между выполнениями планового
технического обслуживания
TO
KГ 
,
TO  TB
ТО – наработка на отказ, ч;
ТВ – среднее время восстановления.
Длительность вынужденных простоев характеризуется коэффициентом
неисправности
t
KH  B ,
tЧ  tB
где
где
tВ – время простоев из-за технических неисправностей;
tЧ – время чистой работы машины.
По степени тяжести отказы по техническим неисправностям разделяют на
24
лёгкие, средние и тяжёлые. Лёгкие отказы - это мелкие неисправности, обычно
устраняемые на месте в полевых условиях обслуживающим персоналом с применением инструментов, прилагаемых к машине.
К средним отказам относятся неисправности, которые требуют продолжительной остановки машины. Для их устранения привлекают ремонтные
службы (автолетучки).
Тяжёлые отказы - это аварии, затрагивающие наиболее ответственные органы, механизмы машины, общий износ, требующий полной переборки машины. Они требуют длительной остановки машины и ремонта её в стационарных
условиях.
Одним из основных факторов, повышающих возможность машины, является жёсткость, т.е. способность конструкции сопротивляться действию
внешних нагрузок с наименьшими деформациями, не приводящими к нарушению работоспособности машины. Жёсткость конструкции оценивают коэффициентом жёсткости.
Для растяжения и сжатия бруса постоянного сечения в пределах упругих
деформаций коэффициент жёсткости, согласно закону Гука, равен:
P F E
P  
,
f
l
где
Р – сила, приложенная к системе;
Е – модуль упругости первого рода;
F – площадь сечения бруса;
f – максимальная деформация, вызванная силой Р;
l – длина бруса.
Для кручения бруса постоянного сечения
М
G  JP
КР  КР 
,

l
где
МКР – крутящий момент;
G – модуль упругости второго рода;
Jp – полярный момент инерции сечения бруса;
φ – угол поворота сечения. Для изгиба бруса постоянного сечения
P  EJ
ИЗ  
,
f
l3
где
J – момент инерции сечения бруса;
25
α – коэффициент, зависящий от условий нагружения.
Конструктивными способами повышения жёсткости являются:
– возможная замена изгиба, как менее выгодного по жёсткости и прочности вида нагружения, сжатием или растяжением;
– уменьшение плеч изгибающих и скручивающих сил;
– рациональная расстановка опор и, в случае необходимости, введение
дополнительных опор.
1.6 Масса, металлоёмкость машин и способы их снижения
Масса машины является одним из наиболее важных показателей. Машина
должна иметь оптимальную массу для обеспечения тягово-сцепных качеств
трактора; достаточной прочности деталей, сборочных узлов конструкции в целом; заглубления рабочих органов; обеспечения вертикальной устойчивости
трактора в моменты выглубления рабочих органов, при поворотах и в транспортном положении.
Основным требованием к лесохозяйственным машинам является минимальная масса, которая должна обеспечивать достаточную, но не излишнюю
прочность. В связи с этим необходимо учитывать три момента:
1. На какие усилия рассчитывать машину – средние или максимальные,
возникающие при внезапном возрастании нагрузки или при встрече с препятствием.
2. Какие допускаемые напряжения можно принимать при расчётах.
3. Возможно ли допускать упругие деформации.
Общая эксплуатационная масса машины складывается из следующих составляющих:
mЭК  mМ  mТОП  mС  mВ  mИ  mЗ  mО ,
где
mМ – масса машины;
mТОП – масса топлива;
mС – масса смазочных материалов;
mВ – масса воды;
mИ – масса инструмента;
mЗ – масса заправочных материалов (семян, сеянцев, саженцев, удобрений);
26
mО – масса обслуживающего персонала.
При расчётах машин следует принять суммарную (заправочную) массу
машины и выбирать такие напряжения, которые обеспечивали бы в конструкциях отсутствие остаточных деформаций, т.е. напряжения, близкие к пределу
текучести, но при этом надо исходить из возможных максимальных усилий, которые могут появиться при перегрузках машины. Если же усилия будут слишком велики и вызовут увеличение размеров деталей и их массы, то следует
применять предохранители автоматического действия.
Допускаемые напряжения


  ПР ;
[ ]  ПР ,
n
n
где σПР и τПР – предельные (опасные) напряжения;
n – коэффициент запаса прочности.
При статических нагрузках принимают следующие придельные напряжения: для пластических материалов – предел текучести σТ; для хрупких –
предел прочности σР; при переменных нагрузках – предел выносливости (усталости) σ-1.
Коэффициент запаса зависит от выбора предельного напряжения, степени
точности расчётных схем, правильности определения величины и характера нагрузки.
Однако пользоваться при выборе допускаемых напряжений повышенным
значением запаса прочности можно только в исключительных случаях, когда
максимальные усилия нельзя определить. Слишком большой запас прочности
ведёт к увеличению размеров и массы деталей и, как следствие, к перерасходу
материалов. Вместе с тем при выборе допускаемых напряжений следует учитывать последствия возможных поломок.
Снизить массу машины можно применением наиболее эффективных материалов, сортимента проката, заменой сложных каркасных конструкций
штампованными из тонкостенного материала, заменой металла неметаллическим материалом, использования средств прогрессивной технологии обработки
и др. мероприятиями.
Для оценки эффективности использования металла в сравниваемых конструкциях определяют удельную металлоёмкость лесохозяйственной операции.
Для механизированной операции на единицу выработки удельная металлоём-
27
кость составляет
M ПР 
I  mM
m
m 

 Т  С ,
W1  WЧ.М. WЧ.Т. WЧ.С. 
mС – масса сцепки;
W1 – часовая производительность машины;
WЧ.М., WЧ.Т., WЧ.С. – годовые нагрузки соответственно машины, трактора,
сцепки, ч.
Масса машины и металлоёмкость неравнозначны. Также неравнозначны
понятия удельная металлоёмкость технологической операции и удельная металлоёмкость машины. Удельную металлоёмкость машины определяют как частное от деления объёма всех металлических деталей на основной параметр
машины (производительность, мощность, ширина захвата и др.)
m
m
m
 1    2  ...    n
1
2
n
MM 
,
m
где ∑m1, ∑m2, ∑mn – суммарные массы деталей, изготовленных из материалов
с плотностью ρ1, ρ2 … ρn;
m – принятый основной параметр машины.
Металлоёмкость можно снизить путём уменьшения массы машины, создания принципиально новых конструкций машин, универсальных и комбинированных агрегатов, повышения рабочих скоростей и др.
где
1.7 Конструктивная унификация и универсализация машин
Унификация – рациональное сокращение числа объектов (размеров, параметров, деталей, сборочных единиц, агрегатов, машин и их схем) одинакового назначения, которые можно применять в разрабатываемой конструкции
в рамках завода, отрасли, страны.
Унификация устраняет необоснованное конструктивное разнообразие
деталей, сборочных единиц и агрегатов и тем самым увеличивает серийность,
снижает стоимость изготовления. Она облегчает обслуживание и ремонт за
счёт уменьшения номенклатуры инструмента и запасных частей. Использование унификации упрощает и сокращает процесс конструирования.
По содержанию унификацию разделяют на внутриразмерную, межраз-
28
мерную и межтиповую.
Внутриразмерная – унификацией охватываются базовая модель определённой машины и все её модификации.
Межразмерная – унифицируют не только одну базовую модель и её модификации, но и базовые модели машин с различными параметрами.
Межтиповая – унифицируют машины разных типов (плуги общего назначения, плуги специального назначения; сеялки для зерновых, технических и
овощных культур и др.).
При унификации обосновываются число и параметры изделий, являющихся лучшими по намеченной сумме целей и критериев. Оптимизация может
быть выполнена на основе инженерных расчётов (например, напряжений),
сравнивая с лучшими образцами, суждений специалистов, функциональностоимостного анализа. Оптимизация на основе расчётов экономической эффективности наиболее универсальна, так как упрощает сравнение качественно
отличающихся изделий и влияния разных параметров. Из задач унификации в
машиностроении наиболее часто решается задача построения рядов унифицированных изделий. Целью получения рядов является определение такого числа
изделий, составляющих ряд, которое обеспечивает минимум затрат на выполнение требуемого объёма работ.
В результате унификации получают ряд унифицированных изделий
или несколько взаимоувязанных рядов, составляющих единую систему. В последнее время получили развитие системы, построенные по модульному принципу. В такой системе каждый ряд состоит из модульных составных частей,
которые логически закончены и по своим функциям и конструктивно и функционально совместимы с модульными составными частями других рядов.
Например, система приводов «Albox» (Чехия) на основе цилиндрических редукторов (рис. 1.1) состоит из семи типоразмеров одноступенчатых редукторов, которые имеют межосевые расстояния 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125
мм. Каждый из этих типоразмеров имеет четыре значения передаточных чисел:
2,5; 3,14; 4; 5. В редукторе имеется полый или выступающий цилиндрический
вал. Может быть скомпонован как соосный, так и несоосный привод. В систему входят ряды опор (семь типоразмеров), переходных элементов (четыре типоразмера) и электродвигателей (четыре типоразмера). Из 50 перечисленных
составных модульных частей может быть скомпоновано более 104 технически
29
возможных одно – четырёхступенчатых приводов.
Рисунок 1.1 – Модульная система приводов с цилиндрическими редукторами:
1 – электродвигатель; 2 – переходный элемент; 3 – опора; 4 – цилиндрическая
модульная составная часть; 5 – вал
На базе энергетического модуля 2К2, состоящего из одноосного трактора,
включающего двигатель, трансмиссию, мост, органы управления и кабину, за
счёт присоединения к нему приставок с пассивными и активными осями могут
быть получены самоходные шасси или трактор с двумя ведущими мостами.
Компоновка двух модулей 2К2 даёт или сдвоенный трактор – тандем с двойным тяговым усилием, или трактор – реверс.
Энергетический модуль К2К в лесохозяйственном производстве за счёт
быстростыкуемого узла может быть укомплектован несколькими видами технологических модулей и представлен следующими агрегатами и машинами:
трелёвочный, валочно-пакетирующий, валочно-сучкорезно-раскряжевочный,
процессор, сортиментовоз, щеповоз.
Работы по унификации приводят к сокращению номенклатуры деталей,
составных частей машин, что даёт повышение уровня унификации. Уровень
унификации оценивают коэффициентом унификации в %:
Z
 ун  ун  100%,
Z
где Zун – количество унифицированных деталей;
Z – общее количество деталей в машине.
Повышение эффективности производства и эксплуатации в результате
унификации достигается за счёт сокращения номенклатуры, повышения серийности и технического уровня изделий путём централизации, кооперирования или специализации производства и совершенствования системы обслуживания и ремонта. Наиболее эффективным в сфере производства является
30
специализированное производство. Его эффективность объясняется тем, что
может применяться поточная система производства на основе гибких или жёстких поточных линий, что обеспечивает стабильность технологических процессов и позволяет сокращать затраты по сумме всех статей, включая затраты на
материалы.
Универсализация машин преследует цель расширения их функций в лесохозяйственном производстве, т.е. увеличение диапазона выполняемых ими
операций. В создании универсальных машин существует три направления:
1) создание машин, которые при сравнительно не сложном переоборудовании рабочих органов могут выполнять различные по характеру операции,
не совпадающие по календарному времени (например, одна машина последовательно производит предпосевную обработку, посев, прополку и подкормку);
2) создание машин, которые в одном технологическом процессе могут совмещать несколько операций, т.е. за один проход агрегата выполнять несколько
операций одновременно (например, вспашка, рыхление подпахотного слоя,
дробление почвенных глыб);
3) создание машин, которые хорошо агрегатируются с тракторами различных классов для наиболее рационального использования тяговых свойств и
мощности тракторов.
Эти направления позволяют сократить номенклатуру машин, снизить потребность в тракторах и значительно снизить прямые издержки производственных процессов в лесном комплексе.
1.8 Способы агрегатирования машин и соединения их с
энергетическими средствами
Данный вопрос всегда присутствует при разработке новых машин. Протокол согласования агрегатирования является одним из документов, представляемых в машинно-испытательные станции (МИС).
При агрегатировании л.-х. машин с энергетическими средствами в зависимости от технологического процесса, ЛТТ и других специфических условий работы различают следующие расположения машин:
а) заднее – для большинства навесных, полунавесных и прицепных;
31
б) переднее на тракторах – корчеватели, кусторезы, полосопрокладыватели;
в) боковое – кусторезы, культиваторы, выкопочные машины;
г) среднее – на самоходных шасси – комплексы машин для питомников,
кусторезы;
д) комбинированное или секционное шеренговое и ступенчатое – для широкозахватных орудий. Это характерно для сельского хозяйства.
Системы соединения с энергетическими средствами могут быть навесные, полунавесные, прицепные, агрегаты канатной тяги и самоходные системы.
Агрегаты канатной тяги применяют при лесовосстатговлении на крутых склонах, проведении рубок ухода и лесозаготовках.
Лесохозяйственные машины и агрегаты перемещаются в изменяющихся
дорожно-транспортных и рабочих условиях – по дорогам с различными покрытиями, с ограничениями по ширине, высоте и нагрузке, по лесным дорогам и
под пологом леса, лесокультурным площадям, занятым культурами разной высоты и с различным размещением. В связи с этим к машинам предъявляются
требования высокой проходимости и манёвренности.
Дорожные и рабочие условия разделяют на транспортные, технологические, динамические и опорно-сцепные.
Транспортные условия характеризуются проходимостью агрегата по узким полевым и лесным дорогам, мосткам, по участкам с различными покровами и крутизной склонов, разной степенью увлажнения.
Технологические – проходимостью над растениями при уходе за ними без
повреждения, в междурядьях без повреждения корневой системы и без присыпания почвой культур, особенно в начальной фазе их развития, под пологом леса
без повреждения остающегося древостоя и подроста ценных древесных пород.
Динамические – проходимостью машины через отдельные сосредоточенные препятствия (пни, валежник, камни, бугры, канавы и т.п.), которые машина в состоянии преодолеть без поломок и остановок.
Проходимость машины обеспечивается оптимальным выбором основных
параметров, универсальностью ходовой части, креплением рабочих органов,
повышенной устойчивостью машин против сползания и опрокидывания.
Не менее важное значение имеет маневренность машины, т.е. её способность с минимальной затратой времени изменять направление движения,
32
осуществлять повороты без повреждений растений, почвы и напочвенного покрова. Манёвренность характеризуется высокой чувствительностью системы
управления минимальным радиусом поворота, быстротой и лёгкостью подъёма
и заглубления рабочих органов и перемещением на повышенных скоростях в
рабочем и транспортном положениях. Повышению манёвренности способствует широкое применение автоматических систем управления и контроля.
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.9 Понятие о методах проектирования
Проектирование – это комплекс работ по изысканиям, исследованиям,
расчётам и конструированию, имеющий целью получение всей необходимой
информации и документации для изготовления новых изделии, удовлетворяющих заданным требованиям.
Получаемая при проектировании документация может быть окончательной или промежуточной. Окончательная документация представляет собой
комплект конструкторско-технологических документов в виде чертежей, спецификаций, пояснительных записок, схем, программ для ЭВМ и т.п. Промежуточная это отдельные текстовые документы, эскизы, описания на языке
используемых автоматизированных систем и др.
При проектировании должны выбираться методы и средства решения
конструкторских задач, которые обеспечивают наилучшее достижение цели.
Последнее может пониматься в смысле минимальности сроков проектирования,
минимальности материальных затрат, оптимальности получаемых проектных
решений.
В своей проектной деятельности инженеры используют в разумном сочетании экспериментальные, расчётные и интуитивно-эвристические методы
проектирования. Итак, три метода.
Интуиция и опыт инженера необходимы, прежде всего, при решении задач синтеза и структуры технического объекта. Для решения задачи определения значений параметров рабочих органов и машины в целом используют
расчётные и экспериментальные методы.
33
Экспериментальный метод – это метод макетирования. На макете, т.е.
физической модели будущей машины, определяется выполнение условий работоспособности, производится изменение параметров и форм рабочих органов, частичное изменение структуры машины с целью улучшения ее свойств.
Эксперименты могут проводиться в лабораторных и полевых условиях на макетах, выполненных в натуральную физическую величину или в виде модели.
Расчётные методы проектирования основаны на расчётах параметров рабочих органов, их режима работы, внутренней связи отдельных элементов конструкции машины, прочностных характеристик и т.п.
Расчётные методы дают только ориентировочные значения. Ориентировочный характер результатов расчётов связан с малой точностью расчётных
методик. Результаты, полученные расчётным путём, требуют проверки и корректировки с помощью экспериментального метода.
Расчётный метод может быть неавтоматизированным, автоматизированным и автоматическим. Различие их определяется долей (δ) проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека. При δ=0 – неавтоматизированный расчётный метод, т.е. ручной. При 0<5<1 – автоматизированное проектирование; в этом случае проектирование осуществляется человеком при взаимодействии с ЭВМ. При δ=1 – автоматическое проектирование.
Машинные методы появились, прежде всего, как результат стремления
заменить дорогостоящее и длительное физическое моделирование математическим моделированием. В этих методах вместо макета используют математическую модель проектируемого технического объекта.
При неавтоматизированном расчётном методе неизбежно применение
экспериментального метода, т.е. метода макетирования. А это увеличивает
стоимость НИОКР, их сроки выполнения. Кроме того, требуется многократное
изготовление экспериментальных образцов. При традиционном ручном методе
задачи оптимизации практически не решаются, разработчик удовлетворяется
получением первого работоспособного варианта. Применение же автоматизированных и, тем более, автоматических методов в корне меняет представление
и содержание проектно-конструкторских работ.
34
1.10 Система автоматизированного проектирования
Под системой автоматизированного проектирования (САПР) машиностроительных изделий понимают систему, обеспечивающую разработку новой
и модернизацию старой техники в процессе интерактивного взаимодействия
человека и ЭВМ. В организационно-техническом отношении множество создаваемых САПР различаются между собой архитектурой – набором составляющих подсистем и техническими средствами, обеспечивающими автоматизацию проектирования.
ЭВМ в САПР, как правило, выступает в роли советчика, подсказчика, автомата, выполняющего с большой скоростью заданную последовательность
операций, принятие окончательного решения остаётся за человеком.
САПР присущи два признака: целостность и коммуникактивность.
Целостность САПР определяется информационным обеспечением, представляющим собой распределённую систему локальных баз данных, осуществляющую информационную поддержку процесса проектирования каждого объекта (детали, узла, сборки), начиная с выбора технического решения и кончая
документированием (оформлением рабочих чертежей, пояснительной записки,
управляющих систем, например, для станков с ЧПУ).
В смысле коммуникативности САПР рассматривают как составляющий
элемент в интегрированной системе:
АСУП-АСНИ-САПР-АСТПП,
где АСУП – автоматизированная система управления предприятием;
АСНИ – автоматизированная система научных исследований;
АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства.
Любой из элементов САПР является, в свою очередь, сложной самостоятельной подсистемой.
Существуют следующие основные принципы автоматизированного проектирования:
– проектирование от «общего к частному»;
– максимальное использование готовых проектных решений;
– разумная целесообразность использования ЭВМ для автоматизации от-
35
дельных операций;
– постепенное пропорциональное наращивание числа автоматизируемых
процедур, объектов информационных баз и мощности вычислительных
средств;
– максимальная автоматизация трудоёмких нетворческих операций;
– очерёдность выбора объектов проектирования и объектов автоматизации в зависимости от их значимости.
Целью автоматизированного проектирования является выдача конструкторско-технологической документации, представляющей собой обоснованные оптимальные проектные решения с максимальным использованием
технических средств. К функциям автоматизированного проектирования относятся:
– поиск аналогов отечественного и зарубежного оборудования;
– выбор сборочной единицы, удовлетворяющей заданным техническим
требованиям;
– выделение модифицируемых элементов сборочной конструкции;
– поиск детали (прототипа);
– обогащение детали (прототипа) типовыми конструктивными элементами;
– проверка детали на технологичность в условиях конкретного производства и родственных предприятий;
– проведение инженерно-экономических и оптимизационных расчётов;
– выдача конструкторско-технологической документации.
Пользователей САПР можно условно разделить на шесть групп в соответствии с выполняемыми ими функциями (табл. 1.1).
Удобство работы пользователя обеспечивается диалоговой системой,
предусматривающей выбор варианта работы с помощью меню, высвечиваемого
на экране дисплея, наличие элементов обучающей системы (подсказок, объяснений), вызываемых на экран в случае необходимости; возможность выхода из
режима поиска с любого экрана.
При разработке САПР нужно учитывать следующие требования: комплексность, относительная простота эксплуатации, возможность развития, преемственность и совместимость с имеющимися разработками, прогрессивность
конструкторских и технологических решений.
36
Под комплексностью САПР следует понимать охват автоматизацией логически замкнутого контура функции по проектированию механизмов и машин
как на уровне системы в целом, так и на уровне каждой подсистемы.
Таблица 1.1
Автоматизируемая функция
Группы пользователей САПР
Код
Наименование
1 Управляющий персонал (ди- Контроль за состоянием разработки
ректор, главный инженер)
объектов проектирования; управление процессом проектирования объектов
1 Ведущие разработчики (гене- Контроль за состоянием разработки;
ральный конструктор, началь- декомпозиция объекта на элементы
ник КБ, руководитель группы, (машина-агрегаты-узлы-подузлы- деведущие конструкторы)
тали) и подбор аналогов по каждому
элементу; разработка трёх типов заданий: копирование (К) или модификация (М) аналога, или оригинальное конструирование
1 Конструкторы категории I, II
Работа в соответствии с заданиями
(К, М или О)
2 Конструкторы категории III, Ввод информации в систему, работа
техники, операторы
с вычислительными средствами
2 Администратор базы данных, Развитие и реконструкция базы данведущие специалисты групп ных, генерация САПР и отдельных
САПР
подсистем
2 Главный инженер ВЦ, на- Планирование загрузки ЭВМ
чальники ЭВМ
Относительная простота эксплуатации системы предполагает возможность работы с системой конструктора и технолога среднего уровня, прошедшего несложный курс обучения работе с системой.
Под возможностью развития подразумевают открытость системы, предполагая наращивание её как по количеству автоматизируемых функций проек-
37
тирования и числу решаемых задач, так и развитию информационных баз и
увеличению мощности вычислительных средств в органической связи со всеми принятыми решениями по системе.
Преемственность и совместимость с имеющимися разработками предполагает максимальное использование разработанных ранее задач, систем кодирования, нормативных баз, а также опыта других отраслей.
Прогрессивность конструкторских и технологических решений предусматривает использование современных конструкторских решений, прогрессивных методов и схем обработки с использованием современного оборудования и оснастки.
Один из возможных вариантов САПР машиностроительного предприятия
(рис. 1.2) содержит три функциональные подсистемы – «Расчёт», «Конструктор», «Технолог», систему планирования и управления (СПУ), управляющую систему (Монитор) и ряд обслуживающих подсистем ( ИСС «ГОСТ»,
ИСС «Покупные изделия», ИПС «Аналог», ИСС «Технология», ИСС «Архив»,
подсистему машинной геометрии и графики, БНТР).
Подсистема «Расчёт» предназначена для расчёта геометрических параметров деталей, обработки экспериментальных данных, учёта объёмов работ,
экономической эффективности, норм расхода сырья и материалов, кооперативных поставок и т.д.
ИПС
"Аналог"
БНТР
ИСС
"ГОСТ"
ИСС
"Покупные
изделия"
ИСС
"Технология"
Машинная
геометрия и
графика
ИСС
"Архив"
САПР
Монитор
Расчет
Конструктор
СПУ
Технолог
Рис. 1.2 Вариант типовой архитектуры САПР:
БНТР – библиотека научно-технических расчётов; ИПС – информационнопоисковая система; ИСС – информационно-справочная система; СПУ – система планирования и управления
38
Подсистема «Конструктор» предназначена для автоматизации процесса
конструирования тремя методами: использованием готовых проектных решений; частичной модификацией имеющихся проектных решений; оригинальным проектированием.
Подсистема «Технолог» предназначена для определения технологичности разработанной конструкции и её элементов, проектирования технологических процессов на основе имеющихся.
Система СПУ обеспечивает необходимую последовательность выполнения работ, контроль за ходом процесса проектирования, перераспределение
ресурсов в случае отклонения от заданного графика и корректировку плана
работ.
Управляющая подсистема «Монитор» обеспечивает оптимальную организацию вычислительного процесса. В её функцию входит распределение
заданий по вычислительному оборудованию, расчёт и составление графиков
загрузки с учётом приоритетности разработок и приоритета пользователя, загрузка системы и контроль за прохождением заданий в соответствии с графиком загрузки.
ИСС «ГОСТ» служит для поиска информативно-справочной информации. ИСС «Покупные изделия» – для подбора стандартных покупных изделий,
оформления ведомостей. ИСС «Технология» предоставляет информацию о
наличии на данном, соседнем или родственном предприятии технологических
процессов, оборудования, специальной оснастки и т.п.
БНТР содержит расчётные схемы и программы расчётов для имеющихся
аналогов. ИСС «Архив» даёт справку о месте хранения, составе архивных материалов по выбранному аналогу. Подсистема машинной геометрии и графики
обеспечивают проведение необходимых геометрических преобразований и визуализацию изображений на экране графического дисплея и графопостроителя.
ИПС «Аналог» обеспечивает поиск аналогов разрабатываемых конструкций, узлов, деталей по запросу пользователя. Эта система предназначена
для работы в системе автоматизированного проектирования в диалоговом режиме. Она выполняет поиск информации в локальной базе данных, является
одной из основных обслуживающих подсистем, работающих с функциональной
подсистемой «Конструктор».
39
1.11 Технология автоматизированного проектирования
Технология проектирования предусматривает следующие этапы:
1. Структурное моделирование объекта проектирования предполагает
декомпозицию конструкции на составляющие элементы и составление конструктивной модели объекта (КМО).
2. Планирование процесса проектирования (СПУ) предполагает по
строение моделей следующего вида: сетевые объективные модели (СОМ) и
сетевые процедурные модели (СПМ).
Указанные виды моделей дают полную информацию о состоянии разработки каждого элемента КМО, т.е. в процессе контроля руководитель работ
может получить ответы на вопросы: какие элементы ещё не разработаны. Из-за
чего не может быть выполнена та или иная проектная процедура?
3. Система контроля и управления обеспечивает выдачу информации
по указанным вопросам, выдает сигнальную информацию о намечающихся
нарушениях процесса проектирования, дополняет сетевые модели о выполнении работ, осуществляет корректировку сетевых моделей и выдачу рекомендаций по управлению процессом проектирования.
4. Планирование вычислительного процесса предполагает размещение
работ по имеющемуся вычислительному оборудованию, моделирование вычислительного процесса с целью оценки вычислительной системы и выдачи
рекомендаций по совершенствованию структуры технических средств; планирование машинного времени в соответствии с сетевыми моделями процесса
проектирования; составление графиков загрузки ЭВМ с учётом заявок и пожеланий пользователей и приоритета задач.
Результатом работы данного этапа являются график работ пользователей
и график работы оператора.
5. Проектирование. Данный этап является рабочим этапом, предполагающим выполнение проектных процедур в соответствии с сетевыми моделями, т.е. работу с аналогами конструкций, модификацию имеющихся информационных моделей, оригинальное конструирование элементов КМО, выполнение расчётных работ, проектирование технологического процесса, планирование проведения доводочных испытаний.
6. Организация вычислительного процесса в САПР (рис. 1.3). Перед на-
40
чалом работ обслуживающий персонал проводит регламентные работы, определяет степень готовности устройств и вводит информацию в базу управляющей подсистемы «Монитор». После этого выполняется загрузка «Планировщика», размещающего задания по вычислительным устройствам в соответствии с
таблицей готовности устройств. Результатом работы планировщика является
график пользователей и график работы оператора. После этого загружается монитор и происходит выполнение заданий.
Проведение регламентных
работ
Планировщик
Загрузка планировщика
Заявка
пользователей
Ввод информации
для планировщика
График
работы
пользователей
Планирование
работы
Сведения о
готовности
устройств
График
работы
операторов
Загрузка монитора
Выполнение процедур
под управлением монитора
Разгрузка ЛБС
Регистрация
выполненных работ
Рис. 1.3 Организация вычислительного процесса
Требуемая входная информация из локальной базы очередной процедуры
переносится монитором в локальную базу сопровождения (ЛБС) проектируемого элемента. По окончании работы с процедурой происходит загрузка ЛБС в центральную базу данных.
41
ОСНОВЫ ХУДОЖЕСТВЕННОГО И
ЭРГОНОМИЧЕСКОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН
1.12 Дизайн и техническая эстетика
«Дизайн» в переводе с английского значит «чертёж», «проект», «эскиз»,
«рисунок», «замысел». Возникает вопрос, почему же тогда не пользоваться уже
прочно вошедшим в русскую речь словом «проект»?
Дело в том, что в историческом процессе развития языка слово «дизайн»,
кроме своего прямого значения приобрело некоторые дополнительные оттенки.
Во-первых, им обычно обозначается не всякий проект, а лишь тот, который относится к сфере материальных вещей. Во-вторых, в термине «дизайн» заключён
некий оттенок необычности, остроумности. Дизайн – не просто проект, а остроумный проект, красивый проект, оригинальное необычное предложение и
решение.
Что же наделяет дизайн этим качеством необычности, хитроумности? Каков основной метод дизайнерского конструирования и чем он отличается от
обычного?
Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо сравнить дизайн, с одной
стороны, с изобретательством, а с другой, – с простым конструированием.
Основной специфический признак дизайна состоит в том, что он решает
стоящие перед ним задачи путём компоновки и перекомпоновки существующих объектов или прототипов. Изобретения же и открытия связаны с созданием доселе небывалых объектов, с формулированием неизвестных до того
принципов с выявлением новых законов и свойств вещей, явлений.
Общим между дизайном и изобретением является то, что между объектами возникают новые связи. При простом конструировании мы действуем в
достаточно жёстких запрограммированных условиях и установление новых
связей не входит в нашу задачу. При дизайне, как и при изобретательстве, в результате новых компоновок получается определённый качественный эффект. А
при обычном конструировании в задачу конструктора, как правило, входит получение главным образом, количественного эффекта – сделать машину на
столько-то процентов производительнее или на столько-то процентов менее
энергоёмкой, металлоемкой. Изобретение и открытие обычно инвариантно –
42
или есть закон Архимеда или его нет. Дизайн же, как и простое конструирование, предлагает несколько вариантов решения – могут быть станки и машины
одинаково функционирующие, но разных размеров, различного внешнего вида
и т.д.
Таким образом, дизайн имеет ряд общих черт как с изобретательством,
так и с обычным конструированием и проектированием. Находясь как бы между этими двумя областями, он несёт в себе и черты эвристической деятельности, ибо вырабатывает новые компоновки, устанавливает новые связи и
черты простого конструирования, так как обладает ясной целью и, в конечном
итоге, выступает в форме некоторой материальной структуры – станка, автомашины, плуга, сажалки и т.д.
Дизайнерская компоновка характеризуется установлением новых связей
как внутри проектируемого объекта, так и во вне – с людьми-пользователями,
со средой, с другими объектами. В частности, в промышленном дизайне обычно появляются новые связи между такими явлениями, как техника, искусство,
принцип комфорта. Иначе говоря, к прогрессивным, с технической точки зрения, машинам, станкам и другим индустриальным объектам «прикомпоновываются» элементы комфорта и удобства, также художественные качества. Процесс этот идёт не как «присоединение» к готовому станку, готовой машине красивой формы, а как такая компоновочная переработка объекта с учётом всех
необходимых факторов, которая делает его целостным созданием как в техническом, так и в эстетическом плане.
У подобной дизайнерской перекомпоновки технических орудий, бытовых
вещей, средств транспорта и прочих изделий далеко идущие социальные последствия. Эти последствия определяются тем, что дизайн имеет дело с объектами индустриального производства, т.е. с массовыми многосерийными предметами. Отсюда и массовое воздействие на людей. Отсюда машины, хотя и
принадлежат к сферам техники, они, вместе с тем, входят в область массовой
культуры, в область средств и явлений, формирующих массовое сознание.
Итак, промышленный дизайн – это деятельность, основанная на особом
методе компоновки, имеющая не только качественный эффект, но и некие социальные последствия. Дизайну, как и обычному конструированию, можно
научиться. Но раз дизайну можно научиться, раз эта деятельность принадлежит
к области процессов, которые перестраивают и преобразуют материальный мир
43
и, вместе с тем, проявляются в социальном плане, то, значит, существуют какие-то науки о дизайне. Эти науки относятся к двум «этажам» знаний.
Первый касается самого дизайнерского проектирования, его методологии,
приёмов, способов и т.д. Второй «этаж» касается методологии проектирования
результатов дизайнерского преобразования мира в целом. Здесь для нас основное не знание того, как компоновать машину или товарный знак, а знание, позволяющее определить, к чему это проектирование машины приведет, к каким
экономическим, социальным, нравственным и эстетическим последствиям .
Такой наукой о дизайне, его теорией служит комплексная дисциплина,
обнимающая оба эти «этажа» знаний, которая носит название «техническая эстетика»
Если кто-то говорит, что на предприятии внедрили техническую эстетику, то это свидетельствует о безграмотности. Её нельзя внедрить, точно так
же, как нельзя внедрить на заводе физику, бионику или квантовую теорию.
Итак, уясним два основных понятия — «дизайн» и «техническая эстетика».
Производственная эстетика или производственный дизайн – также один
из видов промышленного дизайна. Объектом его служат производственные,
фабрично-заводские интерьеры. Он занимается вопросами цветового климата,
микроклимата, рационального размещения оборудования, оргтехоснасткой и
т.п.
Художественное конструирование — это один из видов промышленного
дизайна, а именно дизайн конкретных изделий. Это процесс создания удобных
в эксплуатации, целостных по форме, эстетически совершенных промышленных изделий, отвечающих высоким техническим и экономическим требованиям. Художественное конструирование совместно с техническим (инженерным проектированием) образует единый процесс проектирования изделий.
Решая свои специфические задачи, художник-конструктор работает в
коллективе, в творческом содружестве с другими специалистами, входящими в
группу проектировщиков. Степень участия художника-конструктора зависит от
сложности проектируемого изделия и от того, на какой стадии проектирования
он включается в работу.
Художественное конструирование, как и инженерное проектирование,
протекает поэтапно в последовательности, установленной ГОСТ 103-68 ЕСКД.
44
В соответствии с этим ГОСТом весь процесс проектирования разбивается на 5
стадий: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект,
технический проект и рабочий проект.
Если художник-конструктор включается в создание изделия с самого начала проектирования, тогда он работает совместно с другими специалистами на
всех стадиях проектирования. Художественное конструирование можно условно разбить на этапы и ступени, увязав работу художника—конструктора с работой остальных членов коллектива проектирования.
Специфические художественно-конструкторские методы проявляются в
наибольшей степени на начальных стадиях предпроектного анализа и на стадии
разработки художественно—конструкторского предложения.
Работа начинается с получения задания, которое обуславливает технические и технологические требования к изделию. Часто эти требования задаются в весьма общем виде, и коллективу проектировщиков приходится дорабатывать их, занимаясь этим на стадии разработки ТЗ. На этой стадии художник-конструктор проводит анализ проектной ситуации, определяя формулировку художественно-конструкторской проблемы. Во время анализа исходной ситуации определяется предметная среда, в которой протекает функциональный процесс с участием человека и проектируемого изделия, определяется назначение и ценность изделия, часто проводятся исследования прототипов и исходных изделий, которые позволяют выявить данные социологии, типологии, эргономики и определить, что же не удовлетворяет человека в этой
ситуации.
Когда разрабатывается техническое предложение, художник-конструктор, используя данные анализа, занимается разработкой художественно конструкторского предложения. На этой стадии уточняются и более детально
определяются требования технической эстетики к проектированию изделия.
Художник—конструктор переходит к составлению первых набросков и эскизированию компоновочных схем. Он переходит от анализа к синтезу.
На стадии технического проекта художник-конструктор продолжает работать над эстетической выразительностью изделия. Результатом этой работы
является художественно-конструкторский проект. На моделях и макетах завершается окончательная компоновка изделия, отшлифовывается общая композиция.
45
Процесс создания нового изделия
Наряду с художественной проработкой формы художник-конструктор
разрабатывает сложные поверхности, занимается выбором отделочных материалов, ищет цветовое решение изделия.
В осуществлении промышленного дизайна действуют такие группы, которые разрабатывают упаковку, промышленную графику, рекламу, фирменные
и товарные знаки.
46
1.13 Эргономика
Одним из важных вопросов технической эстетики являются эргономические. Эргономика – это комплексная дисциплина, решающая проблемы инженерной психологии, физиологии и гигиены труда. Она изучает систему «человек – машина – производственная среда» с целью оптимизации этих систем, с
целью полного учёта в них человеческого фактора.
Само название этой науки образовано от двух греческих слов: эрго –
работа и номос – закон. В США эргономика переводится как «человеческая
инженерия».
Производственная деятельность человека имеет свои оптимальные параметры – вес, рост, частота пульса. Есть у неё и свои допуски, свои резервы и
пределы. В этом смысле наш организм можно в какой-то степени сравнить с
машиной, причём, очень сложной. Но тут есть и коренное отличие: кроме физических, у человека существуют ещё и психологические свойства, которые играют главную, ведущую роль во всём, что мы совершаем. Они проявляются тем
больше, чем меньше наше физическое утомление. Именно от него и должен освобождать человека современный механизированный труд. Однако взамен он
требует более значительной и сложной психической деятельности
Инженер-конструктор, художник-конструктор и другие специалисты,
участвующие в проектировании, должны всё сделать, чтобы труд человека, занятого обслуживанием машины, был безопасным, неутомительным, отвечал
требованиям производственной санитарии и личной гигиены.
Однако, глядя на многие лесохозяйственные и лесозаготовительные машины, приходится удивляться, как мог конструктор так старательно, любовно
совершенствуя каждый узел, каждую деталь своего детища, чтобы выжать дополнительные метры скорости, сбросить лишние килограммы массы и улучшить другие технико-экономические параметры, явно легкомысленно отнестись к нуждам того, кто на этой машине работает.
Или возьмём кабину тракториста. Она для него тот же цех. Как станочника в цехе, кабина должна защищать его от влияния неблагоприятных метеоусловий, способствовать поддержанию высокого уровня работоспособности, оберегать от вредных воздействий производства.
К сожалению, кабина тракторов ЛХТ-55, ТДТ-55А не отвечает эргономи-
47
ческим требованиям. Она малогабаритная, стесняет движения человека; зимой
в ней холодно, а летом жарко; высокий шум от двигателя, большая запылённость рабочего места. Кабины в тракторах ЛТЗ-155 удобные и красивые. А в
других колёсных тракторах кабины не содействуют высокопроизводительной
работе тракториста.
Ещё один пример. В тракторе Т-74 водитель постоянно находится в физиологически невыгодной рабочей позе. При пользовании спинкой сидения рычаги управления фрикционами оказываются вне его досягаемости. Ему для работы с рычагами управления навесными орудиями приходится наклоняться
вниз и влево. За смену он делает около 800 поворотов и наклонов, совершая одновременно более двух тысяч движений руками и свыше 140 движений ногами.
В результате человек устаёт задолго до конца смены. Это ведёт к частым остановкам для отдыха и к снижению производительности.
Органы управления должны быть доступны для глаз, рук и ног. Они
должны быть размещены так, чтобы человек не мог перепутать их. Обращается
особое внимание на окраску органов управления. Пренебрежение к этому, например в одном из американских самолётов, привело к 400 авариям. А дело в
том, что две ручки управления, совершенно противоположные по своему назначению, находились близко одна к другой и имели одинаковую форму. Пилот
в экстренных ситуациях путал ручки.
В последнее время учёные всё чаще обращаются к центральной проблеме
эргономики - изучению сенсорных функций. Они собирают и систематизируют
данные, относящиеся к скорости и точности восприятия, к возможным ошибкам, вызванным несовершенством системы сигнализации, темпом и объёмом
информации; изучают двигательные акты, реакции, факторы, дезорганизующие
привычные навыки, а также мыслительные операции, эмоциональное состояние. Учёных интересует, как поведёт себя человек в сложных условиях, например, когда возникают всякого рода помехи или даже аварийные ситуации, которые требуют моментального решения.
Всё это необходимо для того, чтобы при разработке конструкции машин
или каких-либо других объектов могли, как можно полнее учесть человеческий
фактор, который лимитируется параметрами, указанными на рис. 1.4.
48
Рис 1.4. Параметры, лимитирующие человеческий фактор
При проектировании изделия, рабочего места сажальщика, оператора лесохозяйственной машины необходимо учитывать антропометрические показатели человека рост, длину конечностей, размер и форму других частей тела в положении стоя, сидя; требования к рабочим движениям - они должны
быть экономными, т.е. рабочий должен совершать только те движения, которые
необходимы для выполнения заданной операции или приёма. Движения должны быть естественными, соответствовать функции и строению конечностей,
быть плавными в пределах траекторий. Надо знать, что экономия мышечных
усилий способствует росту производительности труда рабочих.
Предъявляются соответствующие требования к рабочей зоне и рабочей
позе человека. Рабочая поза человека должна соответствовать темпу и зонам
движения и мышечной нагрузке в процессе работы. Причиной производственного утомления могут явиться ограниченные траектории движения при однотипных мышечных усилиях. Поэтому необходимо чередовать позы и изменять положение тела, чтобы создавать благоприятные условия для кровообращения и дыхания.
Конструктор должен находить такие технические решения, которые бы
49
исключали напряжённость в рабочей позе и зрительном восприятии. Например,
ротационно-лучевой посадочный аппарат в лесопосадочной машине держит
сажальщиков в постоянном в течение всей смены напряжении. Сажальщики
должны подавать сеянцы так, чтобы не уходили пустыми и, следовательно,
чтобы не было пропусков. Переход на дисковый посадочный аппарат устранил
необходимость слежения за захватом и опасностью пропуска. Это привело к
снижению утомляемости сажальщиков и увеличению производительности агрегата.
1.14 Патентное обеспечение конструирования
Деятельность учёного и конструктора в области создания новой техники
тесно связана с изобретательством, открытием. Приступая к разработке машины, разработчик изучает всё то, что сделано до него в интересующем его направлении. Источником информации являются научно-техническая литература,
промышленные образцы, патентный фонд.
Патентная информация имеет широкое применение в процессе создания
новой техники. Основными направлениями использования патентной информации являются: прогнозирование тенденций развития научных направлений,
объектов техники и технологических процессов; оценки технического уровня
разработок путём их сопоставления с последними запатентованными объектами; проверка патентоспособности выполненных разработок; проверка патентной чистоты выполненных разработок и возможности патентования их за границей.
Прогнозирование на базе использования патентной информации стало
особенно актуально в последние годы. Методы научно-технического прогнозирования позволяют выявить, какие идеи являются в данный момент прогрессивными и перспективными и какие изживают себя. Пользуясь прогнозированием, можно определить, куда должны быть направлены творческие силы, материальные и трудовые ресурсы для ускорения научно-технического
прогресса.
Процесс оценки технического уровня с привлечением патентной информации может быть разделён на следующие этапы:
– составление перечня относительно самостоятельных элементов объекта;
50
– выбор эталона для составления логической модели мирового достигнутого технического уровня, а затем прогнозирование мирового
перспективного уровня объекта;
– сопоставление существующих признаков отдельных элементов оцениваемого объекта с признаком модели для выявления отличающихся
элементов;
– определение элементов оцениваемого объекта, не отличающихся от
аналогичных элементов эталона;
– анализ различий элементов объекта и эталона с целью определения:
положительны или отрицательны эти отличия; какой технический
эффект обуславливают; какой технический эффект, отражённый в
эталоне, не может быть получен при использовании объекта.
Фактические характеристики разработанного изделия сосредоточиваются
в карте технического уровня объекта. Одновременно выполняется работа по
определению степени промышленной реализации технического решения путём
сопоставления сведений, имеющихся в картотеках, составленных на основе
хронологического анализа выданных патентов, рекламных сведений, регистрации промышленных образцов.
При проведении НИР и ОКР и проектно-конструкторских работ (ПКР)
должен обеспечиваться высокий технический уровень объектов техники. Этот
уровень должен превышать, как правило, уровень лучших отечественных и зарубежных образцов. При этом объект должен быть патентоспособным и обладать патентной чистотой.
Патентная чистота – это юридическое свойство объекта техники, заключающееся в том, что он может быть свободно использован в данной стране
без опасности нарушения действующих на её территории патентов на изобретения. Патентная чистота – это понятие конкретное, поскольку она устанавливается в отношении выбранных стран и только на известную дату.
Патентная чистота объекта определяется применительно как к одной конкретной стране, так и к нескольким странам и устанавливается на основе патентных исследований. Патентные исследования проводятся на всех стадиях
разработки новой техники. Основная цель их - достижение наивысшего технического уровня.
Патентные исследования являются составной частью научно-
51
исследовательских, конструкторских и технологических работ, предусмотренных стандартом системы разработки и постановки продукции на производство. Руководящим документом является ГОСТ Р 15.011-96 «Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования.
Содержание и порядок проведения».
Работы по патентным исследованиям включают: разработку регламента,
поиск и отбор патентной документации и информационных материалов, анализ
и обобщение отобранных сведений, составление отчёта. Отчёт подписывают
руководители подразделения-исполнителя, патентного подразделения и утверждает руководство организации (предприятия).
Вышестоящей организации представляются одновременно с предложениями к проекту плана НИОКР и ПКР результаты патентных исследований по
обоснованию новой тематики и проект плана проведения патентных исследований.
Финансирование патентных исследований осуществляется за счёт средств
заказчика.
Патентные исследования проводятся только в процессе создания объекта
новой техники. Они занимают важное место в процессе реализации отдельных
технических решений при совершенствовании выпускаемой продукции, при
сбыте готового изделия внутри страны и за рубежом, при определении целесообразности снятия выпускаемой продукции с производства.
При проведении патентных исследований преимущественно используются патентная документация и патентная информация, а также объекты и выполненные НИОКР, каталоги, реклама, отраслевые и фирменные стандарты,
конъюнктурно-коммерческая информация.
Для проведения патентных исследований рекомендуется следующий перечень источников информации:
– бюллетень Госкомитета по делам изобретений и открытий;
– официальные бюллетени патентных ведомств различных стран;
– сигнальная реферативная и библиографическая информация о зарубежных изобретениях;
– описания отечественных и зарубежных изобретений к авторским
свидетельствам и патентам, а по странам и международным организациям, публикующим заявочные материалы, - также описания к заявкам;
52
– сборник «Внедрённые изобретения»;
– информация о промышленных образцах;
– материалы справочно-поискового аппарата (СПА), издаваемые по фондам нашей страны и зарубежных стран;
– патентно-информационные материалы, издаваемые отраслевыми и
территориально-фирменными органами научно-технической информации;
– патентные формуляры, КТУ и качества продукции;
– периодические издания «Вопросы изобретательства», «Изобретательство и патентное дело»;
– статистические и справочные материалы по вопросам изобретательской
и патентно-лицензионной работы;
– ГОСТы и ОСТы;
– отчёты научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций;
– издания по конъюнктурно-экономической информации (проспекты,
каталоги, отчёты фирм и т.п.);
– официальные нормативно-методические материалы (тексты между
народных соглашений по промышленной собственности, патентных законов,
инструкций по экспертизе и т.п.);
– прочая научно-техническая литература и периодика, в т.ч. отраслевая.
Имеются некоторые особенности проведения патентных исследований на
различных стадиях разработки технической документации на объект техники.
1. На стадии заключения договора определяется технико-экономическая
целесообразность новой разработки, выявляется современный уровень научнотехнических достижений и намечаются предварительные пути достижения поставленных задач. Поиск обычно проводится по фондам документов за последние 10 лет. Определяется, следует ли вести разработку в полном объёме или
частично.
2. На стадии разработки технического задания в дополнение к материалам, указанным выше, анализируются новые патентно-информационные и
другие материалы (последние патентные бюллетени, переводы описаний
изобретений, данные о промышленных образцах, материалы конференций,
выставок, сведения из периодической печати и т.п.). При подготовке технических заданий учитываются технико-экономические показатели разрабатывае-
53
мой машины, определяются, какие известные технические решения могут
быть эффективно использованы в машине, ожидаемый технический уровень,
а также задачи по обеспечению патентоспособности и патентной чистоты.
3. На стадии разработки эскизного проекта выявляются предполагаемые
изобретения и осуществляется проверка их новизны, оформляются заявки на
изобретения, разрабатываются предложения о патентовании изобретений за
границей с оформлением патентных паспортов. Поиск ведётся по фондам патентной документации и научно-технической литературы стран, установленных
на стадии ТЗ. Глубина поиска определяется сроком действия патента в странах
поиска.
4. В процессе разработки технического проекта обосновывается, какие
известные и вновь созданные технические решения должны быть положены в
основу отдельных сборочных единиц и деталей разрабатываемой машины с
обеспечением их патентной чистоты; оформляются заявки на изобретения;
проверяется соответствие вновь разработанных технических решений критериям изобретения в странах предполагаемого патентования и готовятся мате
риалы для зарубежного патентования. Глубина поиска определяется сроком
действия патентов в этих странах.
5. На стадии разработки рабочей документации патентными исследованиями решаются следующие задачи;
– обеспечение патентной чистоты (осуществляется окончательная проверка объекта, его сборочных единиц и комплектующих изделий на патентную чистоту; обход действующих патентов, оспаривание патентовконкурентов и т.п.);
– обеспечение конкурентоспособности объектов (патентование изобретений и промышленных образцов, приобретение лицензий);
– обосновывается новизна художественно-конструкторских решений
внешнего вида машины;
– определяется технический уровень разработанной машины.
Отчёт о патентных исследованиях на этой стадии разработки служит основанием для составления патентного формуляра и информационной карточки
на него, а также соответствующих разделов КТУ.
6. Патентные исследования в процессе серийного производства проводятся организацией-разработчиком и предприятием-изготовителем на протяже-
54
нии всего срока серийного выпуска, обычно каждой аттестации данного изделия.
На основе патентных и конъюнктурно-экономических исследований
осуществляется подготовка предложений по расширению объёма внедрения
изобретений, созданных при разработке данного объекта, а также использования технических разработок, в т.ч. на уровне изобретений.
Кроме того, ведётся наблюдение за деятельностью конкурирующих фирм
и динамикой технического уровня объектов техники данного вида при аттестации продукции и решении вопроса о её совершенствовании. В случае благоприятной конъюнктуры делается обоснование целесообразности продажи лицензии или экспорта продукции. При участии в международных выставках
проводится дополнительная проверка патентной чистоты.
В ГОСТ 15.011-96 даются формы справок о патентном поиске и объектов
по патентным исследованиям для всех стадий создания и освоения новой техники.
Отчёт о патентных исследованиях является основой для составления следующих документов:
– карты технического уровня (ГОСТ 2.116-71);
– патентного формуляра (ГОСТ 2.110-68);
– заключения о новизне технического решения, возможных областях
его применения в народном хозяйстве и ожидаемом экономическом эффекте;
– патентного паспорта;
– лицензионного паспорта.
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО РАЗРАБОТКЕ НОВОЙ
ТЕХНИКИ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА
Существовавший до недавнего времени порядок разработки, испытаний и
внедрения в производство новой техники, а также структура конструкторских
и научно-исследовательских организаций, их связи с федеральными органами
претерпели коренные изменения. Во-первых, агентство лесного хозяйства Российской Федерации уже не занимается вопросами механизации лесного хозяйства. Во-вторых конструкторские организации и отделы механизации в НИИ,
ОАО «Рослесхозмаш» и входящие в него заводы лесохозяйственного машино-
55
строения перестали свое существование. Однако, схема процесса разработки
новой техники, несмотря на произошедшие изменения в организации создания
новых машин, остается практически прежним.
1.15 Общая схема процесса разработки машины
Если процесс создания новой машины изобразить схематично, то он выглядит следующим образом:
разработка
исследование
испытание
производство
по видам работ:
НИР
ОКР
серийное производство
испытание
Процесс создания в виде отдельных этапов:
заявка
исходные
требования
исследовательские
испытания
КД*
экспериментальный
образец
КД на опытный
образец
улучшенный
опытный образец
предварительные
испытания
опытная
партия
корректировка
КД
опытный
образец
приемочные
испытания
испытания и
производственная проверка
решение о серийном
производстве
серийное
производство
ТД* для серийного
установочная
производства
партия
*КД - конструкторская
документация;
контрольные
*ТД - техническая
испытания
документация
Отдельные из этих этапов могут быть объединены или исключены.
Исходные данные для проектирования:
– заявка на разработку машины в форме договора между заказчиком и ис-
56
полнителем;
– ЛТТ или исходные требования (подписаны и утверждены);
– результаты анализа последних достижений отечественной и зарубежной
техники по литературным источникам и патентному фонду. Представляется в
форме карты технического уровня;
– результаты НИР (научный отчёт);
– экспериментальный образец, созданный на базе изобретений и на основании научных исследований;
– место в системе машин.
Стадии разработки КД
ГОСТ 2.103-68 ЕСКД включает разработку:
– технического задания;
– КТУ (карты технического уровня);
– эскизного проекта;
– технического проекта;
– рабочую документацию на опытный образец или опытную партию;
– технические условия;
– паспорт;
– протоколы согласования агрегатирования, покупных изделий;
– документация для серийного производства;
– решение о постановке на серийное производство.
1.16 Характеристика технической документации
Лесотехнические (исходные требования) (ЛТТ)
Разрабатывает заказчик по договору с НИИ или другим исполнителем,
квалификация которого достаточна для выполнения столь ответственного задания. Излагают их в следующей последовательности:
1. Назначение машины.
2. Место в системе машин с указанием марки машины, взамен которой
она будет выпускаться. Годовой объём работ и планируемый парк машин.
3. Характеристика условий, в которых будет применяться машина (тип
почв, рельеф, величина продольного и поперечного уклонов местности, наличие пней, камней, растительного покрова, климатических условий – тем-
57
пература и влажность воздуха, скорость и направление ветра); характеристика
предыдущих и последующих операций; агросроки работ, другие условия в
зависимости от конкретных условий эксплуатации, типа и назначения машины.
4. Качественные показатели технологического процесса (глубина обработки почвы, посева семян, посадки и т.п.). Указываются величины допустимых отклонений от заданных параметров; степень рыхления почвы, ширина
защитной зоны, величины допустимых повреждений и т.д.
5. Технические требования:
– тип машины (навесная, прицепная), тяговое средство, габаритные
размеры, масса;
– специфические требования (тип привода рабочих органов, способы регулирования рабочего процесса, наличие и тип кабины и т.д.);
– производительность, годовая выработка, количество обслуживающего
персонала;
– рабочая и транспортная скорости;
– требования к надёжности (коэффициенты готовности и технического
использования, наработка на отказ, срок службы);
– требования безопасности;
– другие технические требования в зависимости от вида и назначения
машины и конкретных условий эксплуатации.
6. Экономические показатели
В данном разделе приводятся расчётные данные по затратам труда, текущим и капитальным затратам в сравнении с аналогом. Указываются срок
окупаемости, лимитная цена и годовой экономический эффект.
ЛТТ рассматриваются на техническом совете разработчика, согласовываются с
заказчиком, КБ, которому предстоит разработка конструкторской документации.
Составной частью ЛТТ является экономический расчёт, производимый по
специальной методике.
Расчёт сравнительной экономической эффективности вновь проектируемой машины обычно начинают с выбора базы для сравнения. Этой базой
может быть ручной труд, если процесс, для выполнения которого предназначается машина, ранее не был механизирован; одна или несколько машин в зависимости от степени универсальности новой машины; комбинация машин и
58
ручных операций. Для сравнения за базу принимают лучшие образцы отечественной и зарубежной техники, находящейся в производстве.
Условия эксплуатации машин в хозяйствах разнообразны и зависят от зоны их применения, типа хозяйства, оснащенности его техникой, поэтому при
расчётах экономической эффективности новой машины основываются на средних или типичных экономических природно-климатических и хозяйственных
условиях данной зоны.
Такие показатели, как производительность сравниваемых машин, нормы
оплаты труда, амортизационные и ремонтные отчисления, годовая нагрузка, затраты на ГСМ, цены на семена, сеянцы, саженцы, удобрения, ядохимикаты и
т.п. при расчётах принимают по действующим усреднённым нормативам.
Большое значение для расчётов имеет и правильность определения исходных параметров машин, принятых для сравнения, таких как количество обслуживающего персонала, масса и эксплуатационная надёжность, режим работы, удельная металлоёмкость процесса и др. Параметры можно определить теоретически или же принять на основании технических характеристик машин с
учётом имеющихся опытных данных, полученных при исследовании на экспериментальных установках или при эксплуатации аналогичных отечественных и
иностранных машин в хозяйствах.
Одним из основных показателей л.-х. машин является их производительность. Её определяют по объёму работ (га, км, т), который машина должна
выполнить в оптимальный агротехнический срок, установленный для данной
операции.
Различают теоретическую и эксплуатационную производительность машины. Теоретическую производительность определяют на основании конструктивной ширины захвата и теоретической скорости движения с учётом поправочного коэффициента использования рабочего времени. Эксплуатационную производительность находят как фактическую среднюю производительность машины за время её работы с учётом фактической ширины захвата,
средней рабочей скорости, фактических потерь рабочего времени. В общем виде производительность за смену определяется по формуле
W  0,1  B  V  T   ,
где
В – ширина захвата машины, м;
V – теоретическая скорость движения, м/ч;
59
Т – длительность смены, ч;
τ – коэффициент использования рабочего времени.
Значение коэффициента τ зависит от ряда факторов и поэтому варьирует
в довольно широких пределах:
для почвообрабатывающих орудий τ =0,72...0,97;
для посевных машин τ =0,7...0,8;
для лесопосадочных машин τ =0,6...0,7;
для выкопочных машин τ =0,5...0,7;
для корчевателей τ =0,65... 0,8.
Сравнительную оценку экономической целесообразности применения
новой машины определяют по издержкам производства, приходящимся на единицу работы
ЦR
И
,
A  W  З  Э  М В  ОО  П
Ц – стоимость машины;
R – расходы на ремонты за весь срок службы машины, р.;
З – зарплата рабочих, р./га;
Э – расходы ГСМ, р./га;
МВ – расходы вспомогательных материалов, р./га;
ОО – расход основных материалов, р./га;
П – потери и повреждения продукта, руб/га;
А – амортизационный срок в часах работы машины до выхода её из строя;
W – производительность машины без учёта потерь по организационным
причинам, га/ч;
Экономическую эффективность определяют на различных других этапах
создания новой машины:
а) при разработке технического задания (при этом устанавливают степень
прогрессивности и эффективности машины предполагаемой конструкции по
сравнению с существующей);
б) на отдельных этапах проектирования (уточняют из-за возможных изменений исходных данных или применения уточнённого метода расчёта);
в) при обосновании постановки машины на производство, т.е. после госиспытаний опытного образца и рекомендации его к производству (делают
наиболее полный и точный расчёт экономической эффективности на основе
где
60
исходных данных и характеристик, полученных в результате госиспытаний);
г) при внедрении новой машины в лесохозяйственное производство.
Техническое задание
Техническое задание разрабатывается на основе лесотехнических требований в соответствии с ГОСТ 15.001-73 и ОСТ 56-30-78. Техническое задание
должно содержать следующие данные:
– тип машины, которую должна заменить машина новой конструкции;
– назначение машины, область и зоны применения, потребное количество
на ближайшие 10 лет, параметры рабочих органов, тип привода, агрегатирование и т.п.;
– характерные особенности работы отдельных сборочных единиц (специфические требования к подшипникам, смазке, материалам, к условиям
монтажа и т.д.);
– эксплуатационные преимущества (увеличение производительности,
повышение качества продукции, облегчение труда и др.);
– экономические требования, предусматривающие экономическую эффективность машины в производстве и в эксплуатации (увеличение КПД,
уменьшение массы и габаритных размеров, уменьшение расхода энергии,
увеличение веса нормализованных и унифицированных деталей, уменьшение трудоёмкости изготовления и т.п.);
– экологические, социальные и эстетические требования (безопасность
и удобство эксплуатации, современные конструктивные формы, соответствующая окраска, хорошая отделка и т.д.).
В ТЗ обычно указывают сроки выполнения эскизного технического и рабочего проектов, сроки изготовления опытного образца.
Все основные технико-экономические параметры и сравнительные характеристики проектируемой машины согласовывают с заказчиком.
Эскизный проект
При выполнении эскизного проекта разрабатывают основные варианты
(принципиальные схемы) возможных решений технического задания. Путём
углубленного технико-экономического анализа разработанных вариантов выбирают один принципиальный вариант, который служит основой для разработки технического проекта.
61
Технический проект
Содержит чертежи общего вида машины, чертежи сборочных единиц деталей, технические условия на изготовление, сборку и монтаж машины. Технический проект - это рабочая компоновка машины.
В период его выполнения производят технологические расчёты и расчёты
на прочность ответственных деталей. При компоновке необходимо учитывать
все условия, определяющие работоспособность машины, добиваться увеличения удельного веса нормализованных и унифицированных деталей, предусматривать удобное и безопасное обслуживание машины и т.д.
Рабочий проект
Разрабатывают на основе технического проекта. Помимо всех рабочих
чертежей он включает выполнение монтажных схем, чертежей сводных конструкций, решение ряда более сложных вопросов технологии изготовления, отработку технологической документации и другие вопросы, связанные с производством машины. По чертежам рабочего проекта выполняют опытный образец
машины и контролируют качество его изготовления.
Индексация чертежей
Для удобства пользования каждому чертежу присваивается определённый индекс. В машиностроении используется предметный метод индексации.
Пример: ПРН 05.03.011
ПРН – марка плуга (плуг-рыхлитель навесной);
двузначное число 05 – порядковый номер агрегата;
двузначное число 03 – порядковый номер узла;
трехзначное число 011 – индекс всей машины, общий вид;
индекс ПРИ 00.00.000 – индекс всей машины, общий вид;
ПРН 03.00.000 – индекс агрегата;
ПРН 03.02.000 – индекс узла, входящего в агрегат 03;
ПРН 03.02.008 – индекс детали узла 02 aгрегата 03.
Индекс ПРН 00.04.000 означает, что узел 04 не входит в состав одного из
агрегатов, а является непосредственной составной частью машины.
ПРН 00.00.005 - деталь не включается в состав какого-либо узла, а входит
в состав машины как самостоятельная единица.
62
1.17 Функции заказчика, разработчика, изготовителя и
потребителя новой техники
Заказчик – государство в лице Федеральной службы лесного хозяйства,
Министерство природных ресурсов, Министерство сельского хозяйства и отраслевые управления. Кроме того, в качестве заказчика могут выступать
Управление лесами, лесохозяйственные и лесозаготовительные предприятия,
АО, ОАО.
Разработчик – НИИ, КБ заводов «Лесхозмаш», КБ заводов оборонных и
сельхозмашиностроения, отдельные изобретатели, конструкторы.
Изготовитель – заводы «Лесхозмаш», сельхозмашиностроения и оборонные.
Потребитель – предприятия лесного комплекса.
Рассмотрим функции каждого из них в их взаимосвязи.
Министерства, выступающие в роли заказчика, определяют потребность
отрасли в лесохозяйственной технике. Рослесхоз является ответственным за
техническую политику в лесном хозяйстве, формирует программу и в форме
госзаказа
распределяет
по
исполнителям;
финансирует
научноисследовательские, опытно-конструкторские работы, испытания и подготовку
серийного производства; в процессе разработки контролирует. В основу отношений заказчика с исполнителями положены договоры и выполнение работ в
соответствии с ныне действующими государственными и отраслевыми стандартами (ГОСТ и ОСТ).
Если в роли заказчика выступают Управление лесами, предприятия лесного комплекса и другие организации, то их отношения с исполнителями определяются договорами. Между ними и исполнителями существуют прямые связи. По взаимной договорённости устанавливаются стоимость разработки, сроки
окончания и характеристика конечной продукции. Заказчику остаётся профинансировать и принять, а разработчику выполнить работы в соответствии с требованиями заказчика.
В роли разработчика могут выступать НИИ и КБ или только КБ. Первый
вариант имеет место в тех случаях, когда заказчик из-за недостатка данных не
может сформулировать лесотехнические требования и техническое задание на
проектирование. Второй вариант применяют при разработке несложных машин
63
и когда не требуется проводить специальные научные исследования по обоснованию параметров рабочих органов, режима работы и по компоновке машины в
целом.
Задачей научно-исследовательских организаций является исследовать и
обосновать технологию рабочего процесса в комплексе с общей технологией
производственного процесса, тип и параметры рабочих органов; режимы работы, общую компоновку машины, определить направление и величину сил,
действующих на рабочие органы; состав агрегата; дать технико-экономическое
обоснование и, в конечном итоге, разработать лесотехнические (исходные) требования (ЛТТ) на разрабатываемую машину. ЛТТ рассматривается на учёном
совете НИИ; разработчик согласовывает их с головным НИИ и КБ, с отраслевыми управлениями агентства лесного хозяйства России. ЛТТ утверждает один
из заместителей руководителя. После этого ЛТТ становится юридическим документом, который затем передается в КБ. Головным НИИ является ВНИИЛМ.
Работа НИИ не ограничивается разработкой ЛТТ. Учёные участвуют в
других этапах в разработке технического задания (ТЗ), испытании опытного
образца. В их задачу на этих этапах входит не допускать отклонений от лесотехнических требований.
Конструкторы, получив исходный материал от НИИ, в том числе утверждённые ЛТТ, приступают к разработке конструкторской и рабочей документации. Работа начинается с разработки ТЗ, эскизного или технического проекта,
проводят патентный поиск, составляют карту технического уровня. Затем разрабатывают рабочий проект, по чертежам которого изготавливают опытный образец машины, и проводят предварительные испытания, по результатам которых составляют протокол. Техническое задание согласовывают с заказчиком и
с заводом, на котором проектируется производство разрабатываемой машины.
Это делается для того, чтобы специалисты машиностроительного завода знали
будущую продукцию и были готовы к её производству. Кроме перечисленных
выше документов КБ разрабатывает паспорт (инструкцию), технические условия (ТУ), согласовывает агрегатирование, применение покупных изделий (гидроцилиндры, колёса, рабочие органы массового производства, редукторы и др.).
Это необходимо, чтобы затем была обеспечена поставка комплектующих изделий.
Задачей КБ, конструкторов является внесение в конструкцию машины
64
прогрессивных конструктивно-технологических решений, обеспечивающих выполнение технологического процесса с высоким качеством, подборка и применение комплектующих изделий, которые по своим параметрам являются мировым достижением; использование тех видов и типов материалов, которые обеспечивают долговечность, высокую надёжность, высокую производительность и
малую массу машины.
Качество работы конструкторов проверяется в процессе приёмочных или
государственных испытаний машины. При испытании конструкторы должны
оперативно вносить изменения в конструкцию машины, направленные на устранение выявленных недостатков. Эти же изменения вносятся и в конструкторскую документацию.
В зависимости от результатов испытаний решения могут быть разными доработать и выпустить улучшенный опытный образец, выпустить опытную
партию, поставить на производство или прекратить работы. В соответствии с
этим и определяется объём работ КБ.
Изготовить улучшенный образец и продолжить испытания – это значит
внести существенные изменения, откорректировать конструкторскую документацию (КД) и рабочие чертежи и изготовить опытный образец.
Решение изготовить опытную партию – это уже успех конструкторов и
учёных. Машина имеет несущественные недостатки. Но испытатели и заказчик
не уверены в полной надёжности машины и будет ли она работать в различных
производственных условиях. В этом случае также корректируется КД. Опытную партию производят, как правило, в экспериментальном цехе КБ и лишь в
отдельных случаях – в цехах завода.
Высшим достижением конструкторов и учёных является случай, когда
машина с первого предъявления выдерживает испытания, отвечает всем предъявленным требованиям и получает решение - рекомендовать в производство.
Получив такое решение, КБ готовит техническую документацию (ТД) для
серийного производства. Корректирует рабочие чертежи, ТУ, паспорт в соответствии с замечаниями МИС и завода-изготовителя. После этого передаёт рабочую документацию на завод-изготовитель, оставаясь при этом калькодержателем, т.е. без ведома КБ никто не может изменить что-либо в конструкции
машины.
Функции изготовителя – по чертежам и технической документации в со-
65
ответствии с ТЗ и ТУ изготавливать опытные образцы, опытные партии и осуществлять серийное производство. При производстве применять прогрессивные
материалы и комплектующие изделия.
Однако на практике получается иное. Заводы под всякими предлогами
стараются произвести замену и отступить от технических условий. В результате из ворот завода нередко выходят машины, отличающиеся от тех, которые
проходили и прошли испытания. Это является главной причиной того, что значительная часть новой техники характеризуется низкой надежностью, и многие
из них преждевременно отправляются в металлолом.
И чтобы как-то сдержать этот негативный процесс, один раз в 5 лет серийная продукция подвергается контролю путём испытаний одного или двух
образцов, взятых с конвейера.
Функции потребителя. Потребитель одновременно является заказчиком.
Только при выполнении госзаказа от его имени выступают ведомства и министерства. Но последние работают в интересах конечного потребителя. Предприятия лесного комплекса, являющиеся потребителем лесной техники, обязаны:
– организовывать эксплуатацию МТП, отвечающую требованиям высоко
эффективного использования, подтверждающим долговечность и высокую надёжность;
– постоянно обучать кадры механизаторов;
– организовывать хранение техники, обеспечивающее её сохранность и
исключающее дополнительные затраты на восстановление качественных показателей конструкции машин, т.е. их технического уровня.
Подводя итоги всему сказанному, отметим следующее.
Технический уровень машин определяется учёными, закладывается конструкторами, реализуется машиностроителями и подтверждается эксплуатационниками. Это надо запомнить и понять, что уровень машины зависит от учёного, конструктора, машиностроителя и производственника. Если кто-то из них
допускает отклонения, то этим подводит всех, участвующих в процессе создания и использования новой техники. Из-за неграмотной эксплуатации и безответственного отношения со стороны производственников можно в самый короткий срок превратить хорошую технику в металлолом, т.е. свести на нет труд
учёных, конструкторов, испытателей и машиностроителей.
66
Нередко на практике, не ознакомившись с инструкцией по сборке и эксплуатации, её применяют в таких условиях, для которых она не предназначена.
В лесу нет лёгких условий. Но не нужно неразумной своей деятельностью усложнять их ещё больше.
Техника работает там, где обеспечивается технологическая дисциплина и
высокая культура эксплуатации. Технология лесозаготовок требует, чтобы вырубка была очищена от порубочных остатков и валежника, высота пней не превышала 1/3 диаметра в месте среза. Фактически эти требования не соблюдаются. Это является одной из причин того, что отечественная лесохозяйственная
техника массивна и громоздка.
ИСПЫТАНИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН
1.18 Общие положения
Машина в целом после обкатки в цеху проходит заводские испытания с
обязательным участием конструкторов, создавших её.
В последние годы заводские испытания получили наименование предварительных. В результате заводских или предварительных испытаний устанавливают работоспособность опытного образца машины, возможные режимы
работы, манёвренность, удобство обслуживания, прочность конструкции, агротехнические и другие необходимые для составления технической характеристики показатели машины. Результаты испытания оформляют протоколом.
После заводских (предварительных) испытаний и устранения выявленных недостатков в машине и технической документации образец или образцы машин
представляют на приёмочные (государственные) испытания. Эти испытания
проводят на специализированных машиностроительных станциях (МИС). В отдельных случаях для испытаний машины создают Государственную комиссию
с участием представителей научных, конструкторских и других заинтересованных организаций.
Задачей испытания является оценка машины (плуга, лесопосадочной машины, сеялки, культиватора, харвестера и др.). Обычно проводят испытания
новой машины в сравнении с лучшим аналогом, находящемся в серийном производстве. Когда нет аналога и технологический процесс выполняется вручную,
67
иногда дают оценку соответствия машины исходным (агротехническим, лесотехническим) требованиям. В зависимости от задачи составляют соответственно программу испытаний, выбирают условия их проведения, устанавливают интервалы, например глубины вспашки, глубины заделки семян,
глубины посадки и др., при которых должны проводиться наблюдения и измерения, интервалы скорости движения.
При приёмочных испытаниях различают оценку машин – производственную, конструкторскую, агрономическую, энергетическую, экономическую и
эргономическую. Производственная оценка машины – это характеристика её с
точки зрения завода-изготовителя в отношении удобства сборки, упаковки, перевозки, потребности в инструментах, качества изготовления. Оценка конструкции - проверка прочности и жёсткости деталей, простоты их изготовления,
удобств ремонта, ухода, безопасности и надёжности действия. Важным показателем при оценке конструкции служит «степень насыщения энергией единицы
массы».
Агрономическая (лесоводственная) оценка – это характеристика работы
машины при данных условиях испытания. Должны быть описаны условия, в
которых проводились испытания, и дана оценка возможности работы машины в
различных условиях. Энергетическая оценка - это определение величины энергетических затрат на работу, выполняемую испытываемой машиной и её рабочими органами, и соответствие энергоёмкости последней тяговым и мощностным показателям энергетического средства при работе в диапазоне скоростных
и нагрузочных режимов, установленных исходными требованиями и техническим заданием. Экономическая оценка включает расчёты производительности,
затраты труда, цены машины, расходов по эксплуатации, капитальные вложения и приведённые затраты на единицу и годовой объём работ. При эргономической оценке определяют соответствие машин требованиям безопасности и
гигиене труда по таким показателям, как микроклиматические условия, запылённость воздуха в зоне дыхания механизатора, загазованность, шум, высоко и низкочастотные вибрации, освещённость рабочей зоны, удобство рабочей позы механизатора, удобство и безопасность технического и технологического
обслуживания, обзорные качества, продольная и поперечная устойчивость машины и т.д.
Приёмочные испытания проводят по программам и методикам, уста-
68
навливаемым ГОСТами и ОСТами. В соответствии с действующими стандартами испытания могут проводиться по сокращённой или полной программе.
Полная программа включает следующие три основные раздела испытаний: техническую экспертизу, лабораторно-полевые испытания и испытания в хозяйственных условиях. После испытаний составляют протокол с основными выводами.
1.19 Техническая экспертиза
При технической экспертизе дают оценку производственного выполнения
машины и оценку её конструкции. Производственное выполнение характеризуют в той последовательности, в которой знакомятся с поступившей на
испытание машиной: оценивают упаковку машины, измеряют быстроизнашивающиеся детали с тем, чтобы после испытаний вновь их измерить и определить износ; оценивают удобства сборки и качество изготовления машины.
При оценке упаковки рассматривают прочность ящиков и связок, защищённость деталей от порчи и поломок при перевозке, удобство погрузки и
транспортировки упаковочных мест. Измеряют параметры вращающихся пар,
снимают контуры лемехов, сошников, лап и др. деталей. При сборке машины
проверяют удобство общего монтажа и смены деталей, достаточность приложенного инструмента, качество окраски и покрытий, качество изготовления деталей. После сборки проверяют расположение рабочих органов, действие различных механизмов, правильность рамы и других деталей.
Экспертиза конструкции машины слагается из определения весовых показателей, расположения проекции центра тяжести, определения основных показателей рабочих органов к подъёмных механизмов. При этом составляют
схемы, вычерчивают узлы, фотографируют машину и составляют её техническую характеристику, в которой указывают все основные показатели.
1.20 Лабораторно-полевые испытания
Для лабораторно-полевых испытаний выбирают участок и составляют его
характеристику. Участок должен соответствовать условиям, указанным в исходных требованиях на испытываемую машину. Затем предварительно ре-
69
гулируют плуг, дисковую борону и культиватор на заданную глубину обработки почвы; сеялку - на заданную норму высева и глубину заделки семян; сажалку - на заданный шаг и глубину посадки и т.п.
В процессе лабораторно-полевых испытаний дают агроэкономическую и
энергетическую оценку машины. Методики определения параметров изложены
в соответствующих ГОСТах. В качестве примера рассмотрим испытание плуга.
Выбранный участок делят на три части: на одной припахивают плуг, на
второй оценивают агрономические показатели, на третьей проводят динаметрирование. На рис. 1.5 приведены примерные размеры делянок для агрономической оценки (а), указана расстановка на них колышков, против которых
делают необходимые замеры.
Рис. 1.5 Разбивка делянок:
а – для агрономической оценки плуга; б – для тензометрирования.
По средней линии делянки для агрономической оценки расстанавливают
25 колышков через каждые 5 м, причём расстояние от крайних колышков до
концов делянок должно быть равно 40 м. Следовательно, общая длина делянки
равна 200 м. При агрономической оценке производят следующие определения:
70
а) твёрдость и влажность почвы. Твёрдость определяют твердомером с
коническим или цилиндрическим плунжером, площадью основания 1 см.
Плунжер погружают на глубину вспашки, среднюю твёрдость вычисляют
по формуле
h z
P
,
S
где h – средняя ордината диаграммы, снятой твердомером;
z – жёсткость его пружины;
S – площадь поперечного сечения плунжера. Абсолютную влажность
почвы находят термо-весовым способом;
б) массу воздушно-сухой растительной массы на 1 м2 поверхности поля
над почвой и в почве;
в) характеризуют устойчивость хода плуга, для чего против каждого
колышка измеряют ширину захвата и глубину хода, и определяют коэффициент
вариации

V   100%,
x
где σ – среднее квадратичное отклонение;
х – среднее арифметическое. Показатель точности характеризуется величиной
M
P
100%,
x
где М – средняя квадратичная ошибка.
г) крошение пласта. Для этого берут 20 проб, врезая в пласт металлический ящик без дна с острыми краями, размером 40x30x30 см, каждую пробу
разделяют на фракции: комья меньше 5 см, глыбы 5...10 см, 10...15 см,
15...25 см и больше 25 см. Массу каждой фракции определяют в процентах к
общей массе пробы;
д) степень и глубину заделки плугом растительной массы;
е) снимают профиль поля до и после прохода плуга, профиль дна борозды. Вспущенность почвы находят по формуле

K
 100%,

где Δω – прирост площади сечения пашни вследствие рыхления;
ω – площадь сечения почвы до вспашки;
71
ж) глыбистость поверхности пашни, произведя замеры длины и ширины
глыб, находящихся на 1 м2. Результаты замеров по фракциям вычисляют в процентах к общей площади измерений;
з) высоту гребней поверхности пашни;
и) степень оборачивания пласта. Для этого против каждого колышка измеряют угол наклона пласта к горизонтали и подсчитывают количество недовалов пласта (при вспашке связной, задернелой почвы и на вырубках). Недовалом
считают случай, когда диагональ сечения пласта вертикальна – угол наклона
b
обёрнутого пласта равен или больше, чем arctg , где b – ширина пласта; а –
a
глубина вспашки;
к) забивание плуга и залипание корпусов.
Энергетическую оценку плуга (любой другой машины) проводят совместно с агрономической оценкой.
До начала испытаний должны быть определены регуляторные характеристики двигателя трактора методами их торможения. Значения мощности,
крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала, расход топлива и другие показатели должны соответствовать паспортным данным. Результаты торможения приводятся в отчётной документации.
Регулировки машины должны быть выполнены в соответствии с заводской инструкцией по эксплуатации и должны быть оптимальными в агротехническом отношении.
При энергетической оценке регистрируют следующие основные параметры: крутящие моменты на валу двигателя, на ведущих органах движителя
или на валу их привода, на валу отбора мощности, если часть мощности двигателя передаётся от ВОМ для привода, например, роторного рыхлителя комбинированного корпуса плуга; тяговое сопротивление и частоту вращения коленчатого вала, ведущих колёс, вала отбора мощности, пройденный путь, продолжительность опыта. Регистрация параметров производится не менее чем
двукратно на каждом из режимов работы при движении агрегата в прямом и
обратном направлениях.
Для выявления эффективности работы новых рабочих органов испытываемых машин в отдельных случаях дополнительно регистрируют энергетические параметры (усилия, крутящие моменты, перемещения, частоту враще-
72
ния и т.д.) на установившемся холостом и рабочем режимах.
Продолжительность энергетической оценки должна составлять 20...30 с.
По результатам энергетической оценки определяют следующие показатели:
эффективную мощность двигателя; мощность на ведущих органах движителя;
мощность на привод рабочих органов от вала отбора мощности и от гидромотора; мощность на преодоление механических потерь; мощность на самопередвижение; мощность на буксование ведущих органов движителя; тяговую
мощность энергетического средства при агрегатировании с навесными и прицепными машинами; общее тяговое сопротивление лесохозяйственных машин;
удельную потребную мощность (на единицу производительности); удельное
сопротивление и коэффициент загрузки двигателя по мощности.
Сравнительная оценка новой машины и аналога производится главным
образом по удельным показателям и степени увязки с энергетическими возможностями тяговых средств.
1.21 Испытания в хозяйственных условиях
Предварительно выбирают типичные участки, соответствующие задачам
испытаний и условиям, записанным в исходных требованиях на машину. Площадь участков должна быть достаточной для полной программы испытаний.
Составляют характеристику участков, описывают их историю, указывают
предшествующую обработку почвы (для почвообрабатывающих орудий).
Для эксплуатационно-технологической оценки лесохозяйственной техники используют фотохронометражно-комбинированное наблюдение, совмещающее фотографию рабочего дня с пооперационным хронометражем, учитывающим время работы в борозде, время на повороты, остановку и регулировку,
очистку от забивания, подтяжку креплений, простои из-за поломок и ремонта,
простои из-за неисправности трактора, холостые переезды.
В процессе хозяйственных испытаний определяют режим работы машин
(скорость, фактическую ширину захвата, глубину обработки, норму высева и
т.п.); агротехнические показатели (качество пахоты, глубина заделки семян и
корневой шейки сеянцев, повреждения растений и т.п.); эксплуатационнотехнологические показатели (наработку на период испытаний; производительность за 1 ч чистого, технологического, сменного и эксплуатационного време-
73
ни; расход топлива, а также основных и вспомогательных материалов; эксплуатационные коэффициенты рабочих ходов, технологического обслуживания, надёжности технологического процесса, использования технологического, сменного и эксплуатационного времени; наработку на технический и технологический отказы; количество обслуживающего персонала).
Показатели эксплуатационно-технологической оценки служат исходными
данными для определения надёжности и сравнительной экономической оценки
машин. Сопоставление машин должно производиться при максимально сравнимых внешних условиях, например, влажность почвы и обрабатываемого материала, засоренность почвы, посевов и посадок сорняками, порубочными остатками, корнями и камнями, уклон местности и т.п.
По данным фотохронометража определяют основные показатели, характеризующие надёжность машин: наработку на отказ (каждой группы сложности), удельную трудоёмкость планового технического обслуживания, отыскания и устранения отказов, коэффициентов готовности и технического использования машин. Надёжность машин оценивают сопоставлением фактических показателей с нормативами. При отсутствии нормативов допускается
оценка путём сравнения фактических показателей с показателями надёжности
машин-аналогов.
Однако ограниченность агротехнических сроков и сезонность большинства видов работ не всегда позволяют за короткий период испытаний в хозяйственных условиях оценить надёжность машин, поэтому так важны методы ускоренных испытаний.
Ускоренные испытания подразделяются на стендовые, полигонные и
имитационные. Вид их определяется наличием технических средств, математического обеспечения, сроками и требуемой точностью получаемых результатов.
Стендовые испытания проводят на стационарных установках со специальными нагружающими устройствами, позволяющими воспроизводить учащённые нагрузки. Нагружающие устройства стендов воспроизводят воздействия почвенно-дорожных фонов и технологических материалов, тяговые сопротивления или тяговые усилия, специальные виды воздействия (климатические,
вибрационные и др.). Для испытания машин стенды оборудуются несколькими
видами нагружающих устройств.
74
Полигонные испытания мобильных машин осуществляются на специальных полигонах с имитаторами для воспроизведения воздействия почвеннодорожных фонов и тяговых сопротивлений.
Имитационные испытания осуществляются обычно в реальном масштабе
времени с физической имитацией технологического материала и рабочей среды.
1.22 Экономическая оценка
Наиболее важным показателем для принятия решения о постановке новых конструкций машин на производство является их экономическая эффективность. Показатели экономической эффективности синтезируют все результаты эксплуатационно-технологических испытаний. Основные положения и
оценочные показатели для определения сравнительной экономической эффективности новой лесохозяйственной и сельскохозяйственной техники стандартизованы.
Исходными данными для оценки экономической эффективности машин,
наряду с результатами испытаний, служат нормативно-справочные материалы
(стоимость материалов, тарификационные сетки, нормативы отчислений на реновацию, коэффициенты эффективности капитальных вложений и т.п.).
Экономическими показателями, характеризующими машину, являются
затраты труда, прямые эксплуатационные затраты, капитальные вложения и
приведённые затраты на единицу и годовой объём работ. Кроме этих показателей рекомендуется дополнительно показывать величину затрат труда на текущий ремонт и периодическое техническое обслуживание, а также общие затраты труда на эксплуатацию машин в расчёте на единицу и годовой объём работы.
Исходными данными для принятия решения являются экономия труда на
эксплуатацию машины, высвобождение рабочей силы, экономия эксплуатационных затрат, годовой экономический эффект. Этот последний показатель является основным критерием при оценке экономической эффективности.
Для принятия решения о производстве машин помимо сопоставления числовых данных приходится учитывать и иные соображения, например, улучшение условий труда механизаторов, снижение вредного воздействия на окру-
75
жающую среду, конкурентоспособность и пр.
Методика определения экономических показателей стандартизирована и
поэтому нет необходимости помещать её на страницах данного учебного пособия.
1.23 Оценка условий труда
Какой бы экономический эффект ни давала машина, как бы прогрессивна
ни была обеспечиваемая ею технология, без удовлетворения требований безопасности и гигиены труда машина не может быть рекомендована в производство. Более того, машины не соответствующие требованиям безопасности, снимаются с испытаний и не допускаются до лабораторных испытаний.
Выбор программы оценки опасных и вредных факторов условий труда в
каждом конкретном случае проводят в зависимости от условий применения
машины, руководствуясь при этом стандартизованной номенклатурой эргономических показателей качества продукции. Регламентированы также общие
методы определения и оценки показателей условий труда.
Для оценки условий труда показатели опытных образцов сравнивают с
нормативными, а также с показателями лучших серийных машин отечественного и зарубежного производства, выполняющих аналогичную работу.
Сравниваемые машины испытывают в строго сопоставимых условиях; на одном поле, при одинаковых метеорологических условиях, в агротехнические
сроки, установленные для зоны испытания.
При приёмке машины на испытания путём осмотра, измерений на месте и
опробования машины в работе определяют наличие и надёжность ограждения
опасных участков и механизмов, наличие сигнальных устройств и надписей по
технике безопасности, удобство и безопасность проведения технического и
технологического обслуживания и эксплуатации, соблюдение требований противопожарной безопасности и правильность конструктивного исполнения дополнительных устройств и оборудования.
При испытаниях в лабораторных условиях эксплуатации определяют следующие гигиенические показатели: микроклиматические условия (температура,
относительная влажность и скорость воздуха в кабинах и на рабочих местах
стационарных машин), запыленность воздуха в зоне дыхания обслуживающего
76
персонала, загазованность, шум, высоко- и низкочастотные вибрации, освещённость рабочей зоны, удобство рабочей позы механизатора, сажальщиков и других специалистов, число воздействий на органы управления трактора при агрегатировании с испытываемой машиной и т.п.
Современная техника лесного комплекса, помимо эксплуатационных,
технологических и эргономических требований должна соответствовать определённым эстетическим требованиям, так как совершенство машины в современном понимании не ограничивается утилитарными свойствами. Только в том
случае, если изделие спроектировано и изготовлено с учётом человеческого
фактора, т.е. с учётом эстетического воздействия, когда возникает соответствующее эстетико-психологическое отношение оператора к технике и создаются
условия для получения максимального экономического эффекта, бережного отношения человека к машинам, что способствует увеличению её долговечности
и надёжности в работе.
Наибольшее влияние на эстетические качества машины оказывает её
форма, так как она является началом зрительного восприятия человеком орудия
труда.
Машина считается эстетически отвечающая требованиям, если её содержание и форма органически едины.
Экспертная оценка эстетического уровня машины осуществляется сравнением образца со стереотипом и выяснением соответствия формы изделия содержанию и функции. При этом оцениваются объёмно-пространственная
структура, пропорциональность, ритм, цвет и другие показатели.
77
Раздел второй
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ МАШИНЫ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ПЛУГОВ
2.1 Физико-механические и технологические свойства почв
Почвой называют поверхностный диспергированный (измельченный)
слой земной коры, важнейшим свойством которого является плодородие. Под
плодородием понимают способность почвы удовлетворять в течение всего вегетационного периода потребность культурных растений в пище, воде, воздухе
и тепле.
Почва состоит из твердых частиц, почвенной воды, почвенного воздуха и
живых организмов. Все физические, химические и биологические свойства
почвы непрерывно изменяются. Наиболее стабильными характеристиками почвы, по которым их классифицируют, являются генетический тип и механический состав.
Процентное содержание механических элементов в виде твердых частиц
разных размеров в сильной степени определяют плодородие, а также физические и технологические свойства почвы. Частицы подразделяются на мелкозем (частицы диаметром менее 1 мм) и каменистые включения.
Мелкие частицы, относящиеся к мелкозему, в зависимости от размера
подразделяют на песчаные, пылеватые и иловатые (табл. 2.1). В зависимости от
диаметра каменистых включений различают мелкий хрящ (3...5 мм), крупный
хрящ (5...10 мм), мелкий щебень (1...3 см), средний щебень (3...5 см), крупный
щебень (5...10 см), камни (10 см и более).
Песчаные частицы в чистом виде непластичны и не липки, в воде не набухают, при высушивании не дают усадки. Песчаные почвы водопроницаемы,
высота капиллярного поднятия воды в них незначительна.
Пылеватая фракция состоит из сильно измельченных минералов. Частицы
этой фракции имеют незначительную водопроницаемость, большое капиллярное поднятие воды, в воде не набухают или слабо набухают, малопластичны и
78
почти не липки. В сухом состоянии фракция плотна, во влажном обладает малой несущей способностью, легко размывается.
Таблица 2.1
Классификация механических элементов почвы (по Н.А. Качинскому)
Элементы
Диаметр частиц, мм
Песок:
крупный
3…1
средний
1...0,25
мелкий
0,25...0,05
Пыль:
крупная
0,05...0,01
средняя
0,01...0,005
мелкая
0,005...0,001
Ил
0,001
Иловатые или глинистые частицы представляют наибольшую степень
измельчения горной породы при ее выветривании и почвообразовании. Они
обуславливают связность почвы, содержат цементирующие вещества, способствующие образованию структурных агрегатов, а также большое количество
питательных веществ в наиболее доступной для растений форме. Лучшими по
механическому составу считают суглинистые и супесчаные почвы с содержанием илистых частиц от 10 до 40 %.
Различают почвы структурные и бесструктурные. Структурные почвы
могут распадаться на отдельные различные по величине и форме агрегаты, комочки, зерна и залегать рыхлым слоем. Наиболее ценная по структуре почва
состоит из отдельных трудноразмываемых комочков диаметром 0,25…10 мм.
Бесструктурная почва обычно представляет или плотную массу из мелких пылевидных частиц (диаметром меньше 0,25 мм), или же состоит из плотных
крупных глыбистых комков диаметром от 1 до 10 см и более. Бесструктурные
почвы плохо запасают и сохраняют влагу и имеют слабую воздухопроницаемость. Тяговое сопротивление при обработке структурной почвы меньше, чем
при обработке бесструктурной. Залипание рабочих органов меньше при обработке на структурных почвах,
Свойства отдельных частиц почвы удерживаться друг около друга и со-
79
противляться механическим воздействиям называется связностью. Связность
зависит от механического состава почвы. Почвы с большим содержанием иловатых частиц имеют большую связность, с большим содержанием песчаных
компонентов – меньшую. Глинистые связные почвы при обработке плугом оказывают большее сопротивление и деформируются на крупные глыбы. Песчаные, менее связные почвы оказывают меньшее сопротивление рабочим органам
и разрушаются на более мелкие комки.
Почвы представляют собой пористое тело. Под пористостью или
скважностью почвы понимают отношение объема всех пор, заполненных водой
и воздухом, к объему почвы. Общую пористость определяют по формуле
V
P  П  100%,
VO
VП – объем пустот;
VО – объем исследуемой почвы.
Различают некапиллярные и капиллярные поры. Некапиллярные поры это промежуточные между почвенными агрегатами и отдельными структурными комочками. Имея сравнительно большие размеры, некапиллярные поры не
задерживают дождевые воды, и они под действием собственного веса свободно
стекают в нижние горизонты почвы, а промежутки заполняются воздухом. Капиллярные поры пронизывают преимущественно структурные агрегаты и комочки, имеют очень малые размеры, хорошо задерживают дождевую воду. По
капиллярам поднимаются грунтовые воды.
Скважность или пористость зависит от механического состава, структуры
и степени уплотнения почвы. Общая скважность суглинков и глин 50...60 %,
песчаных 40…45 %. Скважность одной и той же почвы зависит также от влажности. Во влажной почве частицы оказываются как бы раздвинутыми прослойками воды, при высыхании почвы они сближаются.
Все крупные и мелкие поры почвы, не занятые водой, заполнены воздухом. Воздух, находящийся в крупных скважинах почвы, беспрепятственно
сообщается с воздухом атмосферы. Воздух в мелких скважинах (капиллярах)
почвы часто находится в защемленном состоянии. Пузырьки защемленного
воздуха со всех сторон окружены твердыми частицами почвы и пленками капиллярной воды. Наличие в почве пузырьков воздуха уменьшает ее водопроницаемость и увеличивает упругость, так как при повышении давления (атгде
80
мосферного или сжимающего почву) воздух претерпевает лишь упругие деформации.
Защемленный воздух способствует хорошему крошению почвы, если она
находится в состоянии спелости, то есть при относительной влажности, равной
50…70 %.
Наличие в почве воды, физиологически доступной для растений, или
влажность почвы, является основным условием их развития. Однако чрезмерное увлажнение почвы, заполнение в ней водой всех мелких и крупных пустот может вызвать гибель растений из-за прекращения доступа воздуха к их
корням, а также закисание почвы. Оптимальной степенью увлажнения почвы
считается та, при которой вода заполняет три четверти имеющихся в почве капиллярных скважин. Минимальная влажность почвы, при которой из-за нехватки воды начинается увядание растений, соответствует примерно удвоенному
значению гигроскопической влажности почвы.
В почве различают четыре основных категории воды: связанную, капиллярную, свободную или гравитационную и парообразную. Связанная вода,
несвободная, тонким слоем располагается вокруг почвенных частиц и прочно
удерживается адсорбционными силами. Капиллярная вода удерживается в наиболее тонких порах между почвенными агрегатами и во внутриагрегатных капиллярах и под действием менисковых сил может перемещаться в почве в направлении расположения капиллярных пор. Парообразная вода находится в
почвенном воздухе в форме водяного пара. Она всегда находится в состоянии
движения и может пассивно перемещаться вместе с потоками воздуха.
О количестве содержащейся в почве воды судят по величине абсолютной
влажности почвы wa (%), которую определяют по формуле
m  mc
wa  b
 100%,
mc
mb и mc – массы влажной и сухой почвы.
Однако при определении степени увлажнения почв различного механического состава обычно приводят значения так называемой относительной
влажности почвы. Ее находят по формуле
w
w0  a  100%,
wn
где
где
wn – полевая влажность почвы, %.
81
Полевой влажностью почвы называют количество воды, которое способна удерживать в себе обильно смоченная с поверхности почва после стекания
гравитационной воды. Таким образом, количество воды, соответствующее полевой влажности почвы, предполагает заполнение влагой всех пор почвы, за
исключением крупных некапиллярных.
Полевая влажность различных почв изменяется в широких пределах, В
зависимости от погодных условий почва может быть воздушно-сухой, когда в
ней содержится лишь гигроскопическая (связанная) вода; предельно насыщенной влагой, когда все ее мелкие и крупные поры заполнены водой, и в промежуточных состояниях увлажнения.
В зависимости от степени увлажнения лесные почвы принято делить на
три типа: дренированные, временно переувлажненные и избыточно увлажненные. Для каждого типа почвы разработаны и применяют свои технологии и
комплексы машин для проведения лесохозяйственных и лесовосстановительных работ,
Изменение влажности по-разному сказывается на свойствах различных
почв, существенно влияет на расход энергии и качество обработки почвы.
Сухой песок лишен связности и представляет собой сыпучее тело. При
влажности, близкой к капиллярной влагоемкости, он обладает наибольшей
связностью, обусловленной действием капиллярных сил. В переувлажненном
состоянии песок, особенно мелкий, теряет связность и переходит в плывучее
состояние.
У бесструктурных глинистых почв с уменьшением влажности связность
всегда возрастает. Связность и твердость структурных суглинистых и глинистых почв, обладающих водопрочной структурой, с изменением влажности изменяется подобно связности и твердости песчаных почв.
При вспашке сухих твердых суглинистых и глинистых почв, не имеющих
водопрочной структуры, образуются крупные глыбы, размером в поперечнике
до 0,5 м и более. В этих условиях тяговое сопротивление плуга максимально.
Отрицательные результаты дает и вспашка переувлажненных связных
почв (при относительной влажности более 80 %). Образующийся пласт имеет
форму непрерывной ленты, слаборазрыхленный, его поверхность после оборота
блестит, так как отвал «зализывает» пласт. После просыхания такая пашня не
пригодна ни для посева, ни для посадки. Кроме того, происходит сильное зали-
82
пание отвалов и сгруживание почвы впереди корпусов плуга, оборот пласта неполный, растительные остатки заделываются плохо.
Наиболее благоприятные условия для работы почвообрабатывающих машин, если почва находится в состоянии «спелости», то есть при ее относительной влажности 50…70 % или абсолютной влажности, равной для черноземов
14…24 %, серых и бурых лесных почв 17…23 % и каштановых почв 13…20%.
Одной из существующих характеристик механических свойств почвы является ее твердость, замеряемая в Н/см2. Твердость – это способность почвы
сопротивляться проникновению в нее под давлением какого-либо тела (конуса,
цилиндра и др.) и характеризует суммарное сопротивление, которое преодолевают рабочие органы почвообрабатывающих машин, производя разрушение
среды путем различных деформаций.
Твердость почв определяют плотномерами конструкции Горячкина, Ревякина и Высоцкого. При измерении вдавливают в почву наконечник в виде цилиндра или конуса на глубину 25…30 см, одновременно ведется запись на диаграмме величины усилия Р, необходимого для преодоления сопротивления
почвы продвижению этого наконечника.
Величина усилия Р в сильной степени зависит от уплотненности почвы,
что и обусловило наименование прибора плотномер, а также от влажности. Но
твердость почвы не следует смешивать с плотностью в г/см3.
Пластичность – свойство почвы деформироваться под действием внешних сил или сохранять деформированное состояние после прекращения их действия. Пластичность зависит от механического состава почвы и степени ее
влажности.
Пластичность определяют числом, представляющим собой разность
верхнего и нижнего пределов влажности (в относительных единицах). За нижний предел принимают такую влажность wн почвы, при которой она становится
способной раскрываться на тонкие стержни диаметром 3 мм, а за верхний –
влажность wb, при которой даже при незначительном сотрясении почва начинает расплываться. Так, например, для среднесуглинистого чернозема wb=34,7 %
и wн=18,2 %, число пластичности равно 34,7-18,2=16,5; для тяжелосуглинистого
чернозема wb=54,0 % и wн=26,7 %, следовательно, число пластичности равно
27,3.
Под упругостью понимают свойство почвы после прекращения действия
83
внешних сил, вызывающих деформацию, частично восстанавливать свою первоначальную форму и размеры. Упругие деформации некоторых почв при первом нагружении достигают 30…50 %, а при повторных нагружениях 70…80 %
общей деформации.
Способность частиц почвы во влажном состоянии склеиваться между собой, прилипать к рабочим поверхностям рабочих органов называют липкостью. Липкость проявляется или при скольжении почвы по рабочим поверхностям плужных корпусов и лап культиваторов, или при отрыве от почвы металлических поверхностей (обода колеса при качении, гусениц при движении и
т.п.).
Залипание рабочего органа машины почвой при ее скольжении происходит в тех случаях, когда сумма удельных сил трения и прилипания почвы к
рабочей поверхности оказывается больше, чем временное сопротивление почвы
сдвигу. Залипание колес и гусениц происходит тогда, когда удельная сила прилипания почвы к ободу или траку больше, чем временное сопротивление почвы
растяжению.
Липкость почвы измеряют в ньютонах на 1 см2 поверхности, соприкасающейся с почвой, то есть усилием, которое необходимо приложить, чтобы
оторвать от почвы прилипшую поверхность.
При воздействии рабочих органов почвообрабатывающих машин и их
ходовых систем на почву преодолеваются силы трения внешние и внутренние.
Трение при обработке почвы может играть как положительную, так и отрицательную роль. Отрицательная роль трения проявляется на рабочих органах; трение увеличивает тяговое сопротивление машины, ускоряет износ трущихся поверхностей. Положительная роль трения заключается в том, что оно
увеличивает силу сцепления колеса с почвой, уменьшает буксование колес машины и др.
Внешнее трение, то есть трение почвы о поверхность рабочих органов
машины, находят по формуле
Tтр  f  N ,
f – коэффициент трения;
N – нормальная сила.
Величина коэффициента трения (табл. 2.2) зависит от механического состава и влажности почвы, шероховатости рабочей поверхности, материала, исгде
84
пользуемого для изготовления рабочего органа, а также от удельного давления
на поверхность контакта и скорости скольжения почвы. Меньшие значения коэффициента трения для данной почвы соответствуют низкой влажности, большие – высокой влажности.
Таблица 2.2
Расчетные значения коэффициента трения и угла трения почвы о сталь
(по данным Г.Н. Синеокова)
Почвы
f
φ, °
1. Песчаные и супесчаные:
- сыпучие
0,25…0,35
14…19,5
- связные
0,50…0,70
25,5...30
2. Легко- и среднесуглинистые
0,35…0,50
19,5…26,5
3. Тяжелые суглинки и глины
0,60…0,90
31...42
Процессу внешнего трения обычно сопутствует процесс прилипания почвы к металлической поверхности. Применительно к почве внешнее трение и
прилипание - два разных явления одного и того же процесса – скольжения почвы по металлу. Однако законы трения и прилипания различны: если сила трения не зависит от площади контакта, то сила прилипания прямо пропорциональна ей. Вызываемое этими силами общее сопротивление скольжению почвы
по металлу находится по формуле
Tоб  Т тр  Т пр  fN  pNS  p0 S ,
(2.1)
Тпр – сопротивление скольжению от прилипания;
S – видимая площадь контакта;
р0 – коэффициент касательных сил удельного прилипания при отсутствии
нормального давления, Па;
р – коэффициент размерности, выражающий интенсивность касательных
сил сцепления на единице видимой площади контакта, 1/см2.
Снижение сил трения на поверхности корпуса плуга и рабочих органов
других почвообрабатывающих машин можно добиться, применяя полимерные
покрытия, жидкостную или воздушную смазку.
Под действием приложенных к почве тангенциальных сил слои перемещаются один относительно другого. Этот вид деформации называется сдвигде
85
гом. Сдвиг характеризуется показателем ψ, представляющим собой отношение
сдвигающего усилия Тс к силе нормального давления
T
  c.
(2.2)
N
Для рыхлых, несвязанных почв показатель сдвига равен коэффициенту
внутреннего трения f .
Сдвигающее усилие Тс зависит от внутреннего трения почвы пропорционально нормальной нагрузке, взаимного сцепления ее частиц при данном состоянии почвы, сопротивления разрыву корней растений, имеющихся в почве, и
определяется выражением
Tc  f N  C,
(2.3)
где
f  – коэффициент трения почвы по почве;
С – сила сцепления частиц почвы, приходящаяся на единицу площади.
Удельное сопротивление почвы при вспашке K0, (Н/см2) является показателем трудности обработки ее. Величина коэффициента K0 зависит не только
от физических свойств почвы, но также от геометрической формы и размеров
рабочей поверхности основного корпуса и предплужника, веса плуга, наличия
дисковых ножей, остроты лемехов и др. Значение коэффициента K0 используя
данные динамометрирования (тензометрирования) плуга, находят по формуле,
полученной в результате решения двучленной формулы В.П. Горячкина для силы тяги плуга относительно K0,
R  f пG
K0 
,
(2.4)
ab
где R – общее тяговое сопротивление плуга;
а – глубина вспашки;
b – ширина захвата;
G – вес плуга;
fп – коэффициент «протаскивания», величина которого равна примерно
половине значения коэффициента трения почвы по стали. В практических расчетах используют упрощенную формулу
R
K0  k ,
(2.5)
abk
где
Rk – тяговое сопротивление корпуса плуга;
bk – ширина захвата одного корпуса.
86
Почвы по трудности их обработки делятся на четыре группы (табл. 2.3).
Таблица 2.3
Группы почв по трудности их обработки
Группы почв
Целина, Н/см2
Старопахотные, Н/см2
Легкие
30…35
25…30
Средние
45…50
40…45
Тяжелые
70…85
65…75
Сверхтяжелые
95…120
85…95
2.2 Виды обработки почвы и классификация
почвообрабатывающих машин
В каком бы состоянии не находилась почва, механическая обработка ее
всегда направлена на образование оптимальных условий для посева семян и посадки сеянцев и саженцев, на борьбу с сорной растительностью, на накопление
и экономное расходование влаги или отвод избытка ее, на защиту почв от водной и ветровой эрозии. Это обеспечивается при определенных значениях степени крошения продуктивного слоя почвы и плотности его сложения,
П.У. Бахтиным предложена оценочная шкала крошения почвы, в соответствии с которой качество обработки почвы подразделяется на очень хорошее
(90…100 % комков размером менее 50 мм и количество пыли (частицы до 0,25
мм) не более 5 %); хорошее (соответственно, 70…90 % комков и 5…10 % пыли); удовлетворительное (50…70 % и 10…15 %); плохое (30…50 % и 15…20 %)
и очень плохое (комков размером до 50 мм менее 30 %, а пыли более 20 %).
Получить высокую степень крошения почвенного пласта можно только в
результате его крошения. Почвенный пласт должен быть подвергнут деформациям; при осуществлении которых возникающие напряжения превышают
внутренние связи. Применяются различные виды деформации – растяжение,
сжатие, сдвиг, изгиб и кручение, основными из которых являются растяжение и
сжатие, а остальные напряжения производные.
Выбор определенного вида деформации сообразуется с физикомеханическими свойствами и состоянием почвы, с получением обработанного
слоя почвы, обеспечивающего благоприятные условия для роста и высокой
87
продуктивности культурных растений при минимальных затратах энергии,
средств и труда. Правильно выбранный вид деформации почв – это технологическая основа создания высокоэффективных рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Установлено, что почвы хорошо работают на сжатие. Причем сопротивление сжатию резко возрастает с уменьшением влажности почвы. Например, при уменьшении влажности с 27,80 до 7,20 % сопротивление средней глины сжатию увеличивается с 0,58 до 3,52 МПа, т.е. в 6 раз.
При деформации растяжения, сдвига и изгиба сухие твердые почвы выдерживают в 10…30 раз меньше нагрузки, чем при сжатии. Сопротивление
сжатию супеси, среднего суглинка и средней глубины больше сопротивления
сдвигу, например, при влажности 12 %, соответственно, в 19,0; 24,3 и 29,4 раза.
Сопротивление сжатию глинистого чернозема больше сопротивления сдвигу и
растяжению, соответственно, в 10 и 20 раз.
Следовательно, при выборе системы обработки почвы, типа и параметров
рабочих органов следует исходить из максимального использования менее
энергоемких деформаций. В свою очередь, система обработки почвы зависит от
климатических и почвенно-растительных условий категории лесных насаждений, технологической схемы выращивания лесных культур. Выбор способа обработки почвы зависит от степени и продолжительности увлажнения почв
(дренированные, временно переувлажняемые, избыточно увлажненные и сухие
твердые), толщины верхнего плодородного слоя, структуры нижних подстилаемых горизонтов, степени солонцеватости; от количества пней на единице
площади, крутизны склонов, изрезанности их промоинами и ложбинами, степени смытости и дефляции почв. В целом обработка почвы делится на основную
и дополнительную или поверхностную.
К основной относятся вспашка, рыхление, вспашка с одновременным
рыхлением, нарезка борозд, образование микроповышений, террасирование,
поделка площадок. Дополнительная обработка включает разрушение пласта и
почвенных глыб, выравнивание и планировку поверхности, поверхностное
рыхление и покровное боронование, уход за паром.
Вспашка и рыхление могут быть сплошными и полосными. Полосную
обработку почвы применяют на склонах, чтобы исключить смыв почвы водными потоками, и на песчаных землях, чтобы предотвратить ветровую эрозию
88
и предохранить культуры от засекания песком.
Вспашка, в свою очередь, подразделяется на культурную вспашку, взмет,
лущение, плантаж, безотвальную вспашку, вспашку с почвоуглублением и
ярусную вспашку.
Культурную вспашку производят плугом с предплужниками, когда верхний задернелый и богатый семенами сорной растительности сбрасывается
предплужником на дно открытой борозды предыдущего прохода. Ширина и
толщина подрезаемого предплужником пласта составляют соответственно 2/3 и
1/3 ширины захвата основного корпуса плуга и глубины вспашки.
Взмет – это вспашка, при которой пласты укладываются наклонно к горизонту, опираясь один на другой. Предплужники не применяют.
Лущение – мелкая вспашка задернелых площадей и стерни. Лущение задернелых почв производится перед вспашкой, обеспечивает хорошую разделку
дернины. При лущении стерни создаются неблагоприятные условия для вредных насекомых, зимующих на поверхности, провоцируются всходы сорняков,
которые погибают при отрицательных температурах. Лущение производится
дисковыми и лемешными лущильниками,
Плантаж – это глубокая вспашка. Применяется при подготовке почвы под
защитные лесные насаждения в степной зоне. Глубина вспашки 40…70 см.
Цель плантажа – глубоко взрыхлить почву, разрушить нижние уплотненные
слои и накопить влагу, создав этим самым оптимальные условия для развития
растений.
Безотвальная вспашка производится на глубину 40…50 см без оборота
пласта плугами, корпуса которых имеют только один рабочий орган-лемех. При
вспашке с почвоуглублением верхний слой на глубине 25…30 см оборачивается, а нижний подпахотный слой рыхлится без выноса на поверхность.
Глубина рыхления от 15 до 40 см.
Ярусная вспашка (двух- и трехъярусная) применяется в особо засушливых условиях, в районах с солонцеватыми почвами, а также на почвах с мелким пахотным горизонтом. При двухъярусной вспашке пласт делится на два
слоя, верхний из которых оборачивается и перемещается вниз, а нижний вверх. При трехъярусной вспашке верхний слой остается на месте, а второй
слой перемещается на место третьего нижнего, а третий на место второго.
Бороздная вспашка встречается трех видов – одноотвальная, двухотваль-
89
ная вразвал и двухотвальная всвал. Первые два применяют на дренированных, а
последний на временно переувлажненных почвах.
Почвообрабатывающие машины в зависимости от вида обработки почвы
подразделяются на машины для основной и машины для дополнительной обработки почвы.
К машинам для основной обработки почвы относятся плуги, тяжелые
дисковые бороны, рыхлители, фрезы, ямокопатели, площадкокопатели и террасеры. Плуги классифицируются по назначению (общего назначения и специальные плантажные, ярусные, оборотные, челночные, клавишные, балансирные, для каменистых почв, кустарниково-болотные, лесные, садовые, выкопочные и виноградниковые); по агрегатированию (прицепные, навесные и полунавесные); по типу рабочих органов (лемешные, дисковые, ротационные, роторные, шнековые, чизельные и комбинированные); по принципу работы (с оборотом пласта, без оборота пласта и комбинированные), по числу корпусов и отвалов в корпусе (одно- и многокорпусные, одно- и двухотвальные) и по скорости
обработки почвы (обычные и скоростные).
Машины или орудия для дополнительной обработки почвы включают
дисковые бороны (легкие, средние и тяжелые, садовые, лесные), культиваторы
(лаповые, дисковые, ротационные и комбинированные), зубовые бороны (бороны «зигзаг», игольчатые), вращающиеся мотыги, выравниватели и катки для
дробления комков на пашне, уплотнения почвы, разрушения корки.
2.3 Теоретические основы процесса вспашки
Согласно теории В.П. Горячкина, форму рабочей поверхности корпуса
плуга можно рассматривать как некоторое развитие трехгранного клина (рис.
2.1), который состоит из трех прямых клина: ОАВВ'СС с углом а ОАС'А'ВС с
углом θ и ОАА'ВВ'С с углом β при вершине.
Каждый из клиньев при движении трехгранного клина вперед выполняет
свою работу. Например, клин ОАВВ'СС отделяет пласт от дна борозды и поднимает его на себя; клин ОАС'А'ВС отделяет пласт от стенки борозды и отводит
его в сторону; и клин ОАА'ВВ'С оборачивает пласт и укладывает его на ранее
уложенный предыдущим проходом пласт. Таким образом, при движении трехгранного клина пласт почвы подрезается, поднимается вверх, поворачивается,
90
отодвигается в сторону и одновременно ломается и крошится. Процесс механического разрушения почвы под действием клина состоит из четырех последовательно чередующихся стадий.
Рис. 2.1. Трехгранный клин
Первая стадия – первоначальное пластическое смятие в некотором объеме пласта (рис. 2.2а). Смятие сопровождается уплотнением и возрастанием сопротивления почвы. Воздух, находящийся в капиллярах и промежутках между
комочками, переходит в защемленное состояние.
Вторая стадия – дальнейшее сжатие почвы и защемленного в ней воз духа
и накопление в нем потенциальной энергии из-за увеличения сжатия Как в первой, так и во второй стадии частицы почвы вместе с защемленным воздухом
перемещаются в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности клина,
отклоняясь от него на угол трения почвы о клин (рис. 2.2б).
Третья стадия – сжатие почвы до предельного состояния, обусловленного
ее поверхностью. При этом наступает момент скатывания почвы, и сколотый
пласт сдвигается по некоторой плоскости, параллельной направлению перемещения частиц при сжатии (рис. 2.2в).
Четвертая стадия – расширение защемленного в период первых двух стадий воздуха и переход его потенциальной энергии в работу разрушения связей
между комками и частицами почвы, т.е. крошение пласта на более или менее
мелкие части.
При дальнейшем движении клина процесс повторяется в таком же порядке. Резкого разграничения стадии не имеют, одна стадия постепенно переходит
91
в другую, но непременно в изложенной последовательности.
Рис. 2.2. Деформирование пласта двухгранным клином
Рис. 2.3. Характер деформации почвы в зависимости от механических свойств и
состояния
92
Характер деформации в значительной степени зависит от механического
состава, состояния почвы, то есть от ее влажности, задернелости и неоднородности. Почвы, средние по своим механическим свойствам и влажности, скалываются под некоторым углом ψ к направлению движения клина, образуя глыбы
трапецеидальной формы (рис. 2.3.а). При малой глубине хода клина в почве
пласт распадается на более мелкие куски аналогичной формы (рис. 2.3.б).
Легкие почвы с большим содержанием песка под действием клина, если
угол α подъема к тому же значителен, распадаются на отдельные зерна и сгруживаются перед клином (рис. 2.3.в). Сухие тяжелые почвы с большим процентным содержанием иловатых частиц раскалываются на глыбы неправильной
формы, а дно борозды получается неровным и изрытым (рис. 2.3.г). Задернелые
вязкие и влажные почвы отделяются под действием клина в виде сплошной
ленты, изгибаются при поступлении на рабочую поверхность клина (рис. 2.3.д).
Величины углов α, ψ и β остаются неизменными для любого сечения клина горизонтальной плоскостью при ее перемещении снизу вверх. Поэтому при
перемещении трехгранного клина в почве последняя крошится, пласт сдвигается и наклоняется, но ни один из видов деформации почвы не преобладает. При
помощи клина нельзя произвести оборот пласта.
Однако, изменяя отдельные или все геометрические элементы трехгранного клина в соответствии с определенной закономерностью, можно получить такую форму рабочей поверхности, которая будет производить требуемые деформации почвы. На этом основаны приемы образования различных
форм рабочих поверхностей из плоского клина. По способу образования рабочие поверхности корпусов плугов делятся на линейчатые и нелинейчатые.
Линейчатые поверхности образуются движением горизонтальной прямой
линии АВ, которую называют образующей, по направляющей кривой, наклонной к горизонту под углом γ0 (рис. 2.4). Образующая АВ, перемещаемая по направляющей DE снизу вверх с сохранением горизонтального положения и постоянной величиной угла θ0, опишет криволинейную поверхность как часть поверхности цилиндра. Угол θ0 на любой высоте, то есть в любом горизонтальном
сечении, остается неизменным. Углы γ0 и α с увеличением высоты возрастают.
Для каждого горизонтального сечения по всей длине поверхности остается постоянным угол. Корпусы плугов с такой формой поверхности называются цилиндрическими и используются для обработки малосвязных почв. Цилиндриче-
93
ский корпус интенсивно рыхлит пласт, энергично сдвигает его в сторону и перемешивает почву при небольшом обороте.
Рис. 2.4. Образование цилиндроидальной линейчатой поверхности корпуса
плуга
Если вместо дуги окружности принять за направляющую дугу параболы,
а образующую перемещать вверх по кривой, сохраняя ее горизонтальное положение, и одновременно вращать вокруг направляющей кривой как вокруг оси,
то есть непрерывно изменять величину угла θ, то прямая опишет в пространстве криволинейную поверхность – цилиндроид. У такой поверхности величина
углов θ и α возрастает от основания к верхнему краю, а угол β возрастает по
мере продвижения по поверхности вдоль образующих. Степень изменения углов α и β определяется формой направляющей кривой и характером изменения
угла θ по высоте поверхности, поскольку углы α, β и θ связаны между собой
тригонометрической зависимостью:
tg  tg 0  tg ,
(2.7)
Известны и широко применяются в современных плугах две основные
формы линейчатых поверхностей корпусов плугов – цилиндрическая или культурная и полувинтовая. В плугах общего назначения применяют культурную и
полувинтовую поверхности, в которых в качестве направляющей кривой принята парабола, размещенная под углом к горизонту γ0 плоскости, перпендикулярной к лезвию лемеха.
Начальные значения угла во в плоскости лезвия лемеха для культурных
94
корпусов равны 40…45° и для полувинтовых 35…40°. Чтобы исключить возможность задирания пласта отвалом, принято в зоне стыка лемеха и отвала угол
θmin принимать меньшим θ0 на 0…2° для культурных отвалов и 2…4° для полувинтовых. В пределах от θ0 до θmin можно считать, что углы изменяются по закону прямой линии. Выше этой линии величина угла θ возрастает по высоте до
значения θmax. Для культурной поверхности θmax–θ0=2…7° (в среднем 5°), для
полувинтовой θmax–θ0=7…15° (в среднем 10°).
Угол θ в интервале от θmin до θmax изменяется по параболе вида:
6,2 x 2
для культурной поверхности y  2
;
x  100
(2.8)
x2
для полувинтовой поверхности y 
,
2p
(2.9)
х – высота образующей над опорной поверхностью, мм;
у – угол между образующей и вертикальной стенкой (стенкой борозды),
выраженный условно в мм;
р – коэффициент.
При таких значениях и таком развитии по высоте угловых параметров
корпусы плуга с отвалами культурной поверхности обеспечивают менее полный оборот пласта, но достаточное крошение его, а с полувинтовой поверхностью – достаточный оборот, менее полное крошение пласта. Первый тип отвалов применяют в плугах для обработки малосвязных слабозаросших почв,
второй тип – для обработки почв со средней и сильной степенью задернения,
когда пласт связан корнями растений и слабо крошится.
К нелинейчатым относятся винтовые рабочие поверхности, характерной
особенностью которых является резкое увеличение угла β и постоянство угла α.
Поэтому винтовой отвал плавно и полно, без разрыва, оборачивает пласт и почти его не крошит. Плуги с винтовыми отвалами предназначены для обработки
лесных, закустаренных, задернелых тяжелых почв.
где
2.4. Процесс работы лемешного плуга
А. Сплошная вспашка
К пахоте предъявляются следующие агротехнические требования:
95
1. Правильное отваливание вырезаемых пластов при соблюдении одинаковой ширины и высоты пластов.
2. Обязательное плотное прилегание одного к другому, что обеспечивает
наиболее интенсивное разложение органических веществ.
3. Полная и глубокая заделка растительных остатков и удобрений.
4. Рубчатая или слитная поверхность пашни, то есть все поле должно
иметь слитный или слабогребнистый вид при полном отсутствии резких угловатых гребней и крупных глыб.
5. Ровная поверхность поля и ровное дно борозды во избежание застоя
воды в покатых местах и микропонижениях.
6. Ровный обрез стенки борозды, что облегчит ведение пахотного агрегата и предотвращает образование огрехов.
При изучении процесса оборачивания пласта предполагают, что отваливаемый пласт не меняет своих размеров, то есть оборачивается без крошения
(рис. 2.5). Подрезанный в вертикальной плоскости ножом или полевым обрезом
корпуса плуга и в горизонтальной – лемехом пласт ABCD при подъеме на отвал
в начале поворачивается вокруг ребра D до тех пор, пока не займет вертикальное положение DА1В1С1;. Далее пласт поворачивается вокруг ребра С1 до конечного положения C1D2A2B2, то есть пока не ляжет гранью С1В2 на ранее отваленный пласт.
Обозначив ширину захвата корпуса плугов через b, а глубину пахоты через а1, из прямоугольного треугольника C1D3C3 со сторонами C1C3=b и С3D3=а
найдем угол δ наклона отваленного пласта к горизонту
CD a 1
sin  3 3   ,
(2.10)
C1C3 b k
где
b
k .
a
а
б
Рис. 2.5. Схемы оборачивания пласта при работе корпуса
96
Из отношения (2.10) видно, что угол δ возрастает при постоянном b с
увеличением а и уменьшается при постоянном а с увеличением b. Таким образом, оборачивание пласта будет тем совершеннее, чем меньше глубина пахоты
а и чем больше ширина захвата b, то есть при этих условиях пласт с меньшим
углом наклона к горизонту, и растительные остатки будут заделываться более
полно.
При оборачивании пласта положение, при котором диагональ его поперечного сечения А2С1 будет перпендикулярна дну борозды, будет предельным
(рис. 2.4.б), так как незначительное отклонение диагонали влево повлечет опрокидывание пласта обратно в борозду. Установим для этого случая предельное
b
отношение k  . Воспользовавшись подобием прямоугольных треугольников
a
С1А2В2 и C1D3C3, получим:
C3 D3 C1B2
a
b

или

,
2
2
C1C3 C1 A2
b
a b
то есть
1
1

.
2
k
1
  1
k
(2.11)
Преобразовав выражение (2.11) в уравнение и решив относительно k,
найдем:
1
 sin   0,787 или k=1,27; δ=52°.
k
Следовательно, для обеспечения надежного и лучшего оборачивания пласта необходимо иметь k=1,27 и δ<52°. Для плугов общего назначения, предназначенных для вспашки слабосвязанных почв, k=1,4…1,6. Для специальных
плугов, производящих вспашку связанных почв с упругими свойствами (болотные, закустаренные), рекомендуется принимать k=2…3.
В плугах, предназначенных для глубокой пахоты (плантажная вспашка,
глубина более 40 см), при нормальном отношении k для обеспечения оборачиваемости пласта надо иметь слишком большую ширину захвата. При такой
ширине захвата значительно повышается рабочее сопротивление, возрастают
габариты и масса плуга. Поэтому для плантажных плугов к=0,83…0,9.
97
Б. Бороздная вспашка
Обработку почвы в виде одно- и двухотвальных борозд на определенном
расстоянии друг от друга, равном ширине междурядий лесных культур, принятой для той или иной зоны, применяют на вырубках, в равнинных условиях и
на склонах крутизной до 20° (при наличии крутосклонных тракторов).
Пласт может быть уложен по одну сторону борозды или разрезан на две
части по ширине и уложен по обе стороны борозды (рис. 2.6). Стенки образуемых борозд бывают как вертикальными, так и наклонными. Главным условием
бороздной вспашки является оборот пласта на угол 180° и укладка его верхней
задернелой частью на поверхность почвы рядом с бороздой. Глубина вспашки
обычно колеблется в пределах 10…20 см.
Рис. 2.6. Схема оборачивания пласта при бороздной вспашке: 1 – кинематика
пласта; 2 – борозды прямоугольной формы; 3 – борозда с наклонными стенками
При бороздной вспашке для нормального поворота плотной укладки перевернутого пласта на поверхности почвы необходимо прежде, чем пласт начнет оборачиваться, поднять его на некоторую высоту h над дном борозды. При
повороте пласта без предварительного подъема его края надвигаются на стенки
борозды, задерживается оборот и деформируются стенки, что повышает затраты энергии на вспашку и ухудшает ее качество.
Величина надвигания на стенки может быть определена из схемы оборота
пласта (рис. 2.6 а). Поворот отделенного корпусом плуга пласта вокруг ребра f
(края стенки борозды) начинается после подъема его на высоту h. Ребро ce
надвигается на стенку. Максимальная величина надвигания δ имеет место у поверхности почвы и может быть найдена из прямоугольного треугольника cf d  ,
98
в котором cf  b   , d f  a - h и cd   b . Поэтому (b  )2  (a  h) 2  b2 , откуда   (a - h)2  b 2  b . Из данной формулы следует, что степень набегания при
возрастании величины h уменьшается. При h=a набегание δ=0. Практически же,
поскольку рабочая поверхность корпуса криволинейная, то набегание пласта
прекращается раньше при h=0,5а. Для уменьшения δ рекомендуется принимать
b
k   2...3.
a
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛЕМЕШНЫХ ПЛУГОВ
2.5 Проектирование отвалов с горизонтальными
образующими
Исходными данными для построения рабочей поверхности отвала любого
типа являются максимальная глубина пахоты а и ширина пласта b. Ширину
b
пласта находят из выражения k   1,4...1,6 для плугов общего назначения.
a
Задаются, исходя из лесотехнических требований, параметрами, характеризующими установку лемеха, то есть углом θ0 установки лемеха к стенке борозды, углом у установки лемеха к дну борозды, а также углами θmin и θmax, выбирают закон изменения углов между образующей со стенкой борозды от θmin до
θmax.
Построение культурной лемешно-отвальной поверхности. θ0=40...45° (в
среднем 42°); θmin=θ0-(0…2°); θmax=θ0-(2…7°). Углы образующих от θ0 до θmin
изменяются по закону прямой, а от θmin до θmax определяют по формуле (2.8).
Образующую с θmin совмещают с линией стыка лемеха с отвалом.
Вертикальная (лобовая) проекция отвала в соответствии с профилем борозды ограничивается с четырех сторон контурными линиями, так называемыми обрезами корпуса (рис. 2.7).
99
Рис. 2.7. Построение проекций корпуса плуга с линейчатой поверхностью
Строят поперечное сечение пласта начальное ABCD и конечное B2C2D2A2,
a
наклоненное под углом δ=arcsin .
b
Нижний обрез (линия A1D) совпадает с профильной линией дна борозды
и является проекцией лезвия лемеха на плоскость, перпендикулярную направлению движения плуга, ограничивается захватом корпуса с учетом перекрытия,
то есть
A1D  b  b,
где
Δb=20…30 мм – величина перекрытия лемехов.
Полевой обрез. Полевые обрезы лемеха и отвала располагаются в одной
100
плоскости, которая почти совпадает с профильной линией стенки борозды и
лишь на ℓ=3…8 мм отклонена в сторону борозды в верхней части обреза. Зазор
ℓ при работе корпуса с ножом предохраняет стенку борозды от задирания полевым обрезом отвала. Высоту полевого обреза принимают в среднем равной ширине захвата корпуса. Для мелкой пахоты полевого обреза рекомендуют увеличивать высоту полевого обреза на ΔН=1…3 см, так как при мелкой пахоте пласт
сильнее крошится и вспушивается, поэтому не исключено пересыпание почвы
через отвал. Это же относится и к легким почвам.
Из точки К проводят линию стыка лемеха с отвалом на высоте от дна борозды:
h1  s  sin  0 ,
s – ширина лемеха, s=100…250 мм;
γ0 – угол установки лемеха к дну борозды (угол резания).
Бороздной обрез (линия EN) при работе корпуса выполняет одну из основных функций, то есть приваливает пласт к ранее отваленному пласту в момент схода пласта с отвала. Угол наклона бороздного обреза к дну борозды
должен быть примерно равен теоретическому углу отваленного пласта, что
обеспечивает нормальную работу отвала. Однако допускаются отклонения этого угла от -3 до +5°, но при этом не должно быть недоваливания пласта или его
задирания.
Бороздной обрез строят следующим образом. На месте отваленого пласта
A2B2C2D2 наносят поперечное сечение фиктивного пласта с увеличенной глубиной а=а+2,5 см, наклоненного к дну борозды δ1=arcsin(a+2,5 см)/b, нижняя
вершина которого несколько выдвинута в сторону от вершины B2, примерно на
1/2Δb. Верхнюю грань фиктивного пласта делят пополам и из полученной точки Е проводят линию, параллельную ребру A2D2 отваленного действительного
пласта толщиной, равной а, и продолжают ее до пересечения с линией стыка
верхнего обреза лемеха с отвалом в точке N.
Таким образом получают контур бороздного обреза EN, который благодаря зазору между обрезом и верхней гранью отваленного пласта не задирает
пласт даже при несколько повышенной по сравнению с нормальной глубиной
пахоты. Соединив точку А и N, получают задний обрез лемеха AN, и в целом
его лобовую проекцию A1NKD.
Верхний обрез. Основное требование к верхнему обрезу заключается в
где
101
том, чтобы перемещающийся по поверхности отвала пласт не смог пересыпаться через верхний обрез отвала.
Для его построения из точки А проводят вертикальную линию и на высоте Hmax откладывают точку F. Высоту Нmax находят по формуле:
H max  a 2  b 2  H max ,
где ΔНmах=0…20 мм; знак (+) принимают для глубины пахоты а≤16 см; знак
(-) – для глубины пахоты а≥17 см.
Соединяют точки F и K1 прямой линией, делят ее пополам, получают
точку F1, из которой опускают перпендикуляр до пересечения с линией продолжения FA в точке O . Радиусом OF описывают очертание криволинейного
верхнего обреза на участке K1F . Через точки F и Е проводят дугу окружности,
замыкающую контур верхнего обреза. Отвалы с криволинейным очертанием
верхнего обреза приняты для корпусов тракторных плугов общего назначения.
Построение направляющей кривой. После определения контура и параметров лобовой проекции рабочей поверхности строят направляющую кривую,
располагая с левой стороны от лобовой проекции. В качестве направляющей
кривой может быть выбрана окружность, парабола или другая кривая. Для
культурной и полувинтовой рабочей поверхности принимают параболу.
Для построения направляющей кривой – параболы необходимо определить следующие геометрические элементы:
γ0 – угол постановки параболы ко дну борозды – угол резания лемеха,
град;
R – радиус исходной окружности, на дуге которой строится парабола, мм;
L – вылет направляющей параболы, мм;
h – высота направляющей параболы, мм;
ω – угол построения параболы, град;
S – длина прямолинейного участка, примыкающего к лезвию лемеха, мм.
В зависимости от значений указанных элементов устанавливается характер направляющей кривой. Так с увеличением угла γ0, определяющего степень
крошения пласта, повышаются крошение способности поверхности, и наоборот, с уменьшением вылета L параболы крошение возрастает.
Высота параболы h возрастает с увеличением размеров пласта. С уменьшением угла ω верхняя часть параболы больше подгибается вперед и увеличивается оборачивающая способность поверхности. Прямолинейный участок S
102
влияет на подъем параболы и ее кривизну. Величина кривизны зависит от размеров и ширины лемеха.
Для культурной поверхности угол γ принимают равным 30…35,° для полувинтовых 20…30°.
При выборе радиуса R направляющей кривой необходимо учитывать следующие соображения: а) поднимаемый отвалом пласт целиком должен помещаться на лемехе и отвале; при малом радиусе лемех и отвал не в состоянии
удержать на себе пласт, и он пересыпается через верхний обрез отвала, а также
плохо отваливается в сторону; б) отваливаемый пласт не должен задираться бороздным обрезом отвала; увеличение радиуса способствует такому задиранию.
Параметры параболы определяют по формулам:
Радиус исходной окружности
b k 2 1
где
R
b
,


   0   cos 0
2



cos0

k 2  cos  0 
2
2

cos  01  k 

k – отношение ширины захвата b к глубине вспашки a;

,  0 – в радианах.
2
Вылет параболы
L  R1  sin  0 .
Высота параболы
h  R cos  0 .
(2.12)
(2.13)
(2.14)
Вылет L имеет большое значение для крошения пласта. С уменьшением
его повышается крошащая способность отвала, поэтому для отвалов культурного типа в целях повышения крошащей способности можно допустить некоторое
уменьшение L по сравнению с значением получаемым по формуле (2.13). Наоборот, для полувинтовых отвалов вылет L, полученный по формуле (2.13),
можно несколько увеличить, что позволяет связному пласту более плавно подниматься по рабочей поверхности отвала и обеспечивает лучшее его оборачивание, но крошащие свойства отвала при этом снижаются. Увеличение вылета
необходимо также увязывать с глубиной пахоты. Для более глубокой обработки
почвы и при меньшей требовательности к крошению пласта вылет можно увеличить.
103
Для лучшего оборачивания пласта целесообразно обеспечить больший
поворот крыла отвала, для чего надо продолжить кривую, допустим до точки
Р1.
При этом дуга СР увеличивается на угол Δγ. Касательные к дуге окружности в точках С и Р пересекутся в точке М, и угол ω будет равным
  90   0   .
(2.15)
Угол Δγ изменяется в пределах 5…10°. Угол Δγ=10° принимают для усиления оборачиваемости пласта для полувинтовых отвалов.
Величина прямолинейного участка параболы S должна быть 30…100 мм,
в зависимости от глубины пахоты и ширины лемеха. С увеличением глубины
пахоты увеличивается участок, что способствует лучшему подъему пласта.
Глубина пахоты, см
S, мм
10...12,5
30
15
40
17,5
50
25...35
60
После определения всех перечисленных параметров строят направляющую параболу. Способ построения направляющей параболы показан на рис.
2.7. Из начала координат проводят под углом γ прямую СМ1 к оси абсцисс и
прямую ОС к вертикали СС1. На прямой СМ1 откладывают отрезок S. Центр
исходной окружности радиусом R находится в точке О на перпендикуляре к
прямой СМ1. Радиусом R проводят дугу, верхняя точка которой ограничивается
углом 90°-γ+Δγ. К точке Р проводят касательную до пересечения с прямой СМ1
в точке М1. Касательные СМ1 и РМ1 пересекаются под углом ω. Отрезки CM1-S
и РМ1 делят на 8…10 частей. Одноименно обозначенные точки на касательных
соединяют прямыми. Касательная кривая, проведенная к этим прямым, является направляющей кривой.
Расположение плоскости направляющей кривой относительно носка лемеха выбирают в зависимости от типа рабочей поверхности корпуса. Профессор Н.В. Щучкин рекомендует для культурных отвалов плоскость Н с направляющей кривой располагать на расстоянии 2/3 длины лезвия лемеха от его
носка (рис. 2.8) из тех соображений, что эта плоскость будет располагаться на
значительном расстоянии от крыла отвала, а углы образующих 0 в верхней части отвала возрастают медленно. Все это обеспечивает необходимый подворот и
создает крутую, хорошо крошащую грудь отвала.
104
Рис. 2.8. Изменение поверхности отвала от расположения направляющей
кривой
Для полувинтовых отвалов плоскость направляющей кривой рекомендуется располагать на бороздном обрезе лемеха. В этом случае при одном и том
же вылете L0 направляющей кривой образующие полувинтового отвала дают
значительно больший вылет m1 полевого обреза по сравнению с вылетом m полевого обреза отвала культурного типа. Поэтому в полувинтовых отвалах обеспечивается плавный подъем пласта по груди отвала.
На лобовой проекции через 25 или 50 мм наносят горизонтальные образующие 0-0, 1-1, 2-2, 3-3 и т.д. Число образующих определяют по формуле
H
n  max ,
i
где i – интервал между образующими, i=25 или 50 мм.
Образующая 0-0 совпадает с лезвием лемеха, и она образует с вертикальной стенкой угол θ0. Наклон образующих к стенке борозды в начале уменьшается примерно до стыка лемеха с отвалом или несколько выше. Это облегчает
подъем пласта на грудь отвала и уменьшает угол задирания пласта бороздным
обрезом. Для упрощения принято считать, что углы образующих от θ0 до θmax
изменяются по закону прямой у=а-bх.
Задаваясь при проектировании значениями х, то есть расстояниями от образующей, наклоненной под углом θmin, для которой xmin1=0, до очередной верхней образующей с интервалом 25 мм (или 50 мм), получают число образующих,
например, х2=2,5; х3=5,0; х4=7,5 и т.д. до хn=хmах=Нmах-h1 и значения у по формулам (2.8) и (2.9):
105
ymin=0; ymin+1=0,36; ymin+2=1,24 и т.д. до ymax.
Чтобы определить значения углов θ соответственно значениям x, находят
масштаб для величины θ. Для этого устанавливают разность между θmax и θmin,
разность между θmax и θmin и разность между уmах-ymin. Масштаб ординат находят
по формуле
 
m  max min .
ymax - ymin
Поскольку уmin=0, TO
m
 max   min
.
ymax
(2.16)
Масштаб ординат показывает, какое число градусов и минут приходится
на 1 см (10 мм) изменения у. Принято, что m=1° в 1 см линейного размера y.
Далее находят значения углов для каждой образующей на любой высоте
ее расположения:
θmin – заданная величина;
θmin+1=θmin+mymin+1;
θmin+2=θmin+mymin+2;
θmin+3=θmin+mymin+3;
……………………
θmax=θmin+mymax.
При проектировании полувинтовых отвалов, с целью определения величины приращения θ, найдем из выражения (2.9) величину коэффициента 2р,
подставив в эту формулу известное значение xmax  H max  h1 и уmах, которое определяется по формуле (2.16), приняв в ней т=1° на 1 см. Получаем
ymax   max   min .
Из выражения (2.9) находим
2

H max  h1 
2p 
.
 max   min
(2.17)
Отсюда приращение угла θ для любой образующей будет равно:
i  yi 
x12  max   min 
.
H max  hmin 2
а величина угла θi для каждой образующей
i   min  i ,
(2.18)
106
где
θmin – заданная величина.
Для первой и каждой последующей определяют значение угла θi то есть:
 min 1   min 
xi2  max   min 
,
H max  h1 2
x22  max   min 
 min  2   min 
,
H max  h1 2
 max
2
xmax
 max   min        .
  min 
min
max
min
H max  h1 2
Полученные значения θ наносят на лобовую проекцию и получают графическое изображение закона изменения угла θ по высоте лемешно-отвальной
поверхности (рис. 2.9)
Рис. 2.9. Изменение углов наклона образующих:
а – для культурных отвалов; б – для полувинтовых отвалов
У полувинтовых отвалов изменение угла θ до θmin до θmax дает слабое нарастание в нижней части отвала и более сильное в верхней его части – на крыле, что обеспечивает более полный оборот пласта.
Для культурных отвалов (рис. 2.9 а) характерно сильное нарастание углов
в для нижних образующих, то есть от θmin вверх, затем постепенное уменьшение нарастания углов верхних и полное затухание для крайне верхних образующих при значении угла θmax. При изменении угла наклона образующих по
этому закону культурный отвал имеет достаточную крошащую способность и
такой подворот крыла, который обеспечивает вполне удовлетворительную оборачивающую способность отвала.
Горизонтальную проекцию располагают под фронтальной (лобовой). Для
этого из точки D проводят вертикаль, на которой на расстоянии 3bk от линии
AD откладывают точку D1, являющуюся точкой носка лемеха. Из точки D1 под
107
углом θ0 к стенке борозды проводят прямую D1A2 (начальную образующую), по
которой располагается лезвие лемеха. Спроектировав контурную линию лезвия
вертикальной проекции DA1 на прямую D1A2, получают лезвие лемеха в горизонтальной плоскости в истинном изображении. Перпендикулярно лезвию лемеха D1A2 проводят горизонтальный след FF плоскости направляющей кривой,
располагая на расстоянии 2/3 длины лезвия лемеха от его носка для культурных
отвалов и полной длины лемеха, то есть в точке А2 для полувинтовых отвалов.
Затем, на горизонтальный след FF переносят и откладывают отрезки, заключенные между перпендикуляром CC  и направляющей параболой, то есть
откладывают от точки M2 отрезки M2t1, M2t2, …, M2tn, равные отрезки t1t1, t2t2, …
tntn. Таким образом на горизонтальном следе FF получают ряд точек t1, t2, t3, …,
tn, из которых проводят вертикальные отрезки прямых линий t k1 , t k 2 и т.д.
длиной 100 или 200 мм каждый. Из концов этих отрезков, то есть точек k1 , k2 ,
... kn восстанавливают перпендикуляры k1n1 , k 2 n 2 , k n n n длину которых определяют на основании соотношений:
k1n1  t1k1 tg min 1
k 2 n 2  t 2k2 tg min  2
.............................
k n n n  t n kn tg max .
Засечкой из точек k1 , k2 , kn определяют положение точек n1, n2, …, nn.
Соединяют точки n1 и t1, n2 и t2 и т.д. прямыми линиями, продолжая их вправо
до стенки борозды и влево, что необходимо для очертания контура бороздного
обреза. В результате получают положения образующих в горизонтальной проекции.
После этого строят основные контурные линии обрезов горизонтальной
проекции отвала.
Нижний обрез (лезвие лемеха) определяется положением образующей, по
которой направлено лезвие A2D1. Длина лезвия
A1D1  L  b / sin 0  b sin  0 ,
b – ширина пласта;
Δb – перекрытие.
Бороздный обрез строят при помощи вертикальных и горизонтальных образующих, то есть проектируют по правилам начертательной геометрии точки
где
108
2, 3, 4, ..., n пересечения образующих с контурной линией бороздного обреза в
вертикальной проекции на соответствующие горизонтальные проекции образующих 2-2, 3-3, 4-4, …, n-n. Соединив точки пересечения 2, 3, 4, …, n плавной
кривой, получают проекцию бороздного обреза отвала в горизонтальной плоскости.
Бороздный обрез лемеха A2N1 получают следующим образом. От точки D1
вверх откладывают отрезок, равный D1K1=S∙сos γ0. Из точки K1 проводят линию
под углом θmin к стенке борозды. Проецируют точку N из вертикальной проекции до пересечения с линией, выходящей из точки K1 в горизонтальной проекции, получают точку N1 и соединяют ее с точкой A2.
Проекцию верхнего обреза в горизонтальной плоскости строят таким же
способом, как и бороздной обрез, то есть сносят точки пересечения верхней образующей с верхним обрезом на вертикальной проекции на ту же образующую
в горизонтальной проекции. Соединив горизонтальные проекции точек прямой
или плавной кривой, получают очертание верхнего обреза.
Проекции полевого обреза в горизонтальной плоскости точно так же, как
и в вертикальной, - прямая D1F1 с отклонением ее в точке F1 от стенки борозды
на 3…8 мм. Фактически полевой обрез не прямая, а выполнен в форме кривой.
Истинное изображение кривой полевого обреза можно получить, построив его
по точкам V1, V2, V3, …, Vn. Для этого из точек пересечения образующих 1-1, 22, 3-3, …, n-n с полевым обрезом D1F1 проводят горизонтальные линии и на них
откладывают отрезки, равные высотам одноименных образующих в вертикальной проекции, то есть точка V1 на высоте образующей 1  1 , точка V2 на высоте
2  2 и т.д. Полученные точки V1, V2, V3, …, Vn соединяют плавной кривой, которая и будет определять форму кривой полевого обреза (кривая D1Vn).
Строят сечения отвала вертикально-поперечными плоскостями. Эти сечения имеют важное значение, так как характеризуют оборачивающую способность отвала. Построение их ведется следующим порядком. Так как следы вертикально-поперечных плоскостей в горизонтальной плоскости изображаются
прямыми, проводят на горизонтальной проекции отвала прямые y1y1, y2y2, …,
ynyn, перпендикулярные плоскости стенки борозды, на одинаковом расстоянии
друг от друга, с интервалом 50…100 мм. След какой-либо плоскости, допустим
у3 у3, пересекает горизонтальные проекции образующих в точках x0, x1, x2, x3, х4.
Перенося эти точки на соответствующие проекции тех же образующих, изо-
109
браженных в вертикальной плоскости, получают также ряд точек
x0 , x1, x2 , x3 , x4 . Соединив последние плавной кривой – это одно сечение. Повторяя построение для других вертикально-поперечных плоскостей, находят
остальные проекции сечений на фронтальной проекции отвала. Полученные таким образом проекции сечений позволяют судить о степени кривизны рабочей
поверхности, плавности, о степени крутизны груди, подгибе крыла, возможного
задирания пласта бороздным обрезом отвала. Например, сечение XX (рис. 2.10)
дает более пологую грудь отвала и, наоборот, сечение XX1 – более крутую, более крошащую грудь; сечение Х2Х2 – обеспечивает большее задирание пласта,
чем сечение Х2Х3 и, наконец, сечение Х4X4 дает меньший подворот крыла отвала, чем, допустим, сечение Х4Х5.
Рис. 2.10. Вертикальные сечения отвала
Для проверки правильности изготовленных поверхностей отвалов делают
шаблоны. Их строят по сечениям поверхности отвала вертикальными плоскостями, перпендикулярными лезвию лемеха и расположенными на одинаковом
расстоянии друг от друга с интервалом 50…100 мм. На горизонтальной проекции отвала (рис. 2.7) горизонтальные следы этих плоскостей изображаются
прямыми U1U1, U2U2, …, UnUn которые расположены параллельно следу плоскости FF направляющей кривой. Порядок построения следующий:
Слева от горизонтальной проекции наносят вертикальные прямые 0-0, 11, 2-2, ..., n-n, параллельные линии борозды на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между образующими на лобовой проекции. Количество первых равно количеству последних.
110
Чтобы не осложнять чертеж, построение проведем для первых двух сечений плоскостями U1U1, U2U2. Горизонтальный след плоскости U1U1 пересекает
горизонтальные образующие в точках ℓ0, ℓ1 и ℓ2. Точку пересечения нулевой образующей (лезвия лемеха) ℓ0 проектируют на линии 0-0 и обозначают ее ℓ0. Затем точку ℓ1 пересечения U1U1 первой образующей (1-1) проектируют на линии
1-1 и получают точку 1 . Аналогично поступают с точкой ℓ2, получая на линии
2-2 точку ℓ2. Соединив полученные точки 123 плавной кривой, определяют
искомую кривую шаблона для сечения U1U1.
Возьмем второе сечение плоскостью U2U2. Точки пересечения с горизонтальными проекциями образующих будут С0, С1, С2, С3, C4. Спроектируем
эти точки на соответствующие на вертикальные линии 0-0, 1-1, 2-2, 3-3 и 4-4,
получим точки C1, C2 , C3 , C4 , C5 . Соединив их плавной кривой, получим шаблон
для сечения U2U2. Для всех последующих сечений построения ведутся аналогичным способом.
По полученным таким образом кривым из листовой стали изготовляют
отдельные шаблоны для каждого сечения отвала. Шаблоны затем при помощи
прутков, проходящих через них, соединяют в батарею. В зависимости от назначения шаблоны для контроля правильности изготовленной поверхности отвала
делают выпуклые, а для проверки штампов – вогнутые.
Первой операцией при изготовлении отвала является вырезание контура
отвала из листовой стали. Для этого необходимо иметь выкройку или развертку
поверхности отвала на плоскость. Построение развертки – цилиндрической поверхности ведется по правилам начертательной геометрии. Полуцилиндрические и полувинтовые поверхности неразвертываемы, поэтому построение развертки для них ведется приближенно.
Для построения развертки поверхности цилиндроидального отвала применяют следующий метод. Выбирают две плоскости сечения (рис. 2.11). Откладывают линию лезвию лемеха D1A2 в искомом ее значении, принятой из горизонтальной проекции корпуса (рис. 2.7). Выбирают две плоскости сечения:
одну, ближайшую к бороздному обрезу лемеха, но не выходящую за контуры
лемеха влево, допустим плоскость U5U5 и вторую, ближайшую к полевому обрезу, но охватывающую грудь корпуса по всей его высоте, допустим плоскость
U3U3. Следы вертикальных плоскостей выбранных сечений изобразятся прямыми U5U5 и U3U3, перпендикулярными D1A2 – лезвию лемеха. На вертикаль-
111
ных линиях откладывают отрезки, равные по длине криволинейным отрезкам
между соседними образующими на шаблонах принятых сечений.
Рис. 2.11. Построение развертки цилиндрического отвала
Через полученные одноименные точки проводят прямые линии, длина которых
должна быть равна длине образующих на горизонтальной проекции, при этом
расстояние от вертикальных линий до концов прямых равны соответствующим
расстояниям на горизонтальной проекции от выбранных сечений до концов образующих. Образовавшиеся точки 1, 2, 3, и т.д. соединяют контурными линиями, в результате получают с достаточной точностью развертку поверхности отвала.
2.6 Проектирование отвалов с нелинейчатыми поверхностями
Нелинейчатые поверхности образуются при движении в пространстве по
определенному закону какой-либо кривой или прямой, но не горизонтальной
образующей. Существует несколько способов образования нелинейчатых поверхностей.
Первый – способ вертикальных сечений, по которому образование нелинейчатой рабочей поверхности можно представить как движение линии вертикального сечения – криволинейной образующей а-б (рис. 2.12) по направляющей к горизонтальному следу mkIIn с непрерывным вращением вокруг этой направляющей в известных пределах, характеризуемых величиной угла полного
поворота ψ. Вращение сечения может быть равномерным. Иногда же целесообразно на груди отвала принять одну степень поворота, а на крыле другую. Тогда полный поворот сечения
   k  г ,
112
где
φг – суммарный поворот на груди,
φk – на крыле отвала.
Рис. 2.12. Схема образования нелинейчатых поверхностей корпусов плугов по
способу вертикальных сечений
Направление перемещения сечения, а следовательно, и постановка рабочей поверхности к направлению движения плуга, определяются положением и
видом горизонтальной направляющей в области груди корпуса может быть одним – отрезок МК11, а в области крыла другим – отрезок kIIn. В частном случае
направляющая может быть прямой. Линии I-I, II-II и т.д. на горизонтальной
проекции являются следами вертикальных сечений.
По второму способу в качестве образующей – прямая, наклоненная ко
всем трем координатным плоскостям, а в качестве направляющей – пространственная кривая. Если по направляющей кривой перемещать определенным
способом прямую образующую, то она опишет криволинейную поверхность
той же или иной формы. Достоинства этого способа в том, что можно создавать
поверхности, развертывающиеся на плоскости без каких-либо местных усадок,
а это облегчает заводское изготовление плугов.
В настоящее время при проектировании винтовых отвалов принят с некоторыми изменениями метод вертикальных сечений (автор Н.А. Тихонравов).
В качестве образующих приняты дуги окружности, а направляющей – горизонтальная прямая, по которой образующие перемещают и поворачивают.
113
Винтовые отвалы применяют в корпусах лесных плугов для нарезки борозд с отваливанием пласта на необработанную поверхность. Корпуса с винтовой рабочей поверхностью должны переворачивать пласт на 180° и плотно прижимать его к поверхности поля; минимально крошить и деформировать пласт,
укладывать его вдоль борозды в виде сплошной ленты; не допускать бокового
сдвига пласта от края борозды.
Основными данными для проектирования являются назначение плуга, лесотехнические (исходные) требования, условия работы, глубина вспашки или
нарезки борозд.
Ширину захвата корпуса плуга рассчитывают по формуле b=k∙а, где
k=2,5±3. Большее значение k по сравнению с плугами для сплошной вспашки,
имеющими корпуса с отвалами культурной и полувинтовой поверхности, объясняется наличием на поверхности для работы лесных и кустарниковоболотных плугов значительных микронеровностей, а в верхнем слое почвы упругих сил дернины и древесных корней, под действием которых возможен при
малой ширине захвата завал пласта обратно в борозду.
Для построения лобовой проекции строят профиль поперечного сечения
борозды и профиль перевернутого и уложенного на поверхность почвы пласта
(рис. 2.13) с уже известными размерами а и h. Для избежания осыпания пласта
в борозду, повышения его сохранности и снижения энергоемкости вспашки рекомендуется применять трапециевидную форму борозды с наклоном к горизонту боковых стенок под углом 45-60°.
Из точки е проводят вертикальную линию полевого обреза отвала ef высотой Н=0,9b. На расстоянии (0,25…0,5)а от дна борозды проводят горизонтальную линию АВ. Эта линия является следом горизонтальной плоскости, в
которой размещена направляющая прямая MN. Обозначают линию лезвия еc, и
из конца лемеха с проводят прямую под углом φ0=19...25° к горизонту, которая
будет касательной к первой образующей I отвала. Точка m пересечения касательной с линией АВ является нижним концом первой вертикальной образующей – дуги окружности. Для ее построения из точки m проводят перпендикуляр, на линии которого откладывают радиус R0=350…450 мм. Величину R0 и положение центра О дуги окружности подбирают так, чтобы верхний
конец дуги подходил как можно ближе к верхней точке f линии полевого обреза
корпуса. Угол между касательной к дуге в верхней точке и горизонтом не дол-
114
жен быть больше 90…100°.
Тем же радиусом R0 проводят крайнюю левую образующую. Центр дуги
лежит на вертикали, проходящей по левой кромке перевернутого пласта, и расположен на этой линии так, чтобы верхний конец образующей проходил на
2…3 см выше пласта. В точке n пересечения последней образующей с линией
АВ проводят касательную к дуге окружности, которая будет наклонена под углом φn.
Отрезок mn на линии АВ делят на z равных частей с интервалами 25…50
мм. Устанавливают закон изменения угла φ в интервале между φ0 и φn.
В данном случае углы изменяются по закону прямой (рис. 2.13), когда
перемещение образующей на один интервал сопровождается поворотом вокруг направляющей на постоянный угол Δφ, величина которого находится из
выражения
  0
  n
.
z
Величину угла между каждой касательной и горизонтом для других промежуточных сечений находят по формуле
i  0  (i  1) ,
где i – порядковый номер промежуточных точек между m и n (отсчет ведется
от точки m).
По найденным углам проводят касательные из точек, делящих участок
mn, к ним восстанавливают перпендикуляры и радиусом R0 описывают дуги.
Центры всех образующих соединяют линией СD. Длина каждой образующей
должна быть примерно равна ширине пласта, с тем чтобы наползающий на отвал пласт выступал за верхний край отвала. Для крайних левых образующих
длина дуги уменьшается до 0,7b.
Строят линию лемеха с отвалом. Она имеет форму горизонтальной прямой, расположенной от дна борозды на высоте
h  S  sin  ,
S – ширина лемеха, равная 200…250 мм.
Иногда, с целью улучшения оборачивающей способности отвала, рекомендуют устанавливать лемех не под постоянным углом наклона к горизонту, а
уменьшать его от носка к пятке на 12…13°, то есть с 23…27° до 10…15°. В
этом случае линия стыка лемеха с отвалом будет наклонена к горизонту и
где
115
иметь криволинейную форму.
Рис. 2.13. Построение лемешно-отвальной поверхности винтового типа
Бороздной обрез отвала на конце крыла имеет форму последней образующей и возвышается над поверхностью пласта на 2…3 см. Примерно на половине перевернутого пласта бороздной обрез соприкасается с пластом, а затем
116
вдавливается в него, создавая нужный режим. Чем больше перекрытие пласта,
тем сильнее нажим (перекрытие заштриховано). Форму обреза в этом месте находят путем подбора. Выход из нажатия линии бороздного обреза находится на
середине толщины и далее она соединяется с точкой пересечения линии бороздного обреза лемеха с линией стыка лемеха и отвала. Линия бороздного обреза лемеха имеет форму прямой 2, проведенной из пятки лемеха под углом
55…60° до пересечения с линией стыка лемеха и отвала.
Очертание верхнего обреза находят по характерным точкам: верхней точке полевого обреза f, крайней левой на конце крыла отвала и верхней корпуса F,
лежащей на линии, которая сопровождает с вертикалью, проходящей через конец лемеха, и равна примерно Нmах=(0,9…1,2)b. Найденные таким образом точки соединяют плавной кривой. После этого на лобовой контур корпуса наносят
через равные интервалы следы горизонтальных секущих I, II и т.д.
Строят проекцию треугольного подрезного ножа, закрепленного на пятке
лемеха. Угол наклона линии лезвия ножа равен углу наклона стенки борозды
(45…60°). Верхний конец лемеха не доходит до поверхности поля на 4…5 см,
за счет чего достигается меньший сдвиг пласта в сторону в процессе его оборачивания. Нижний конец тыльной стороны ножа подходит к точке пересечения
линии бороздного обреза отвала с линией стыка лемеха и отвала или к бороздному обрезу лемеха.
Для построения горизонтальной проекции из произвольной точки Е линии горизонтальной проекции полевого обреза, удаленной от точки е на лобовой проекции на Lk=(3…4)b, проводят линию под углом θ0=40…45°. Эта линия
является горизонтальной проекцией лезвия лемеха. Конец лезвия находят, перенося эту точку с лобовой проекции.
Проводят следы поперечно-вертикальных плоскостей, в которых размещены крайние образующие. Следы являются горизонтальными, прямыми
линиями. Первый из них проходит через пятку лемеха, второй – на расстоянии
3b от носка лемеха. Переносят с лобовой проекции на первый след точку m, а на
второй – точку n; полученные точки М и N соединяют прямой линией, которая
и является горизонтальной направляющей. Затем переносят на линию MN с лобовой проекции точки пересечения остальных образующих с линией АВ и проводят через них следы поперечно-вертикальных плоскостей промежуточные
образующих, которые должны быть параллельны двум предыдущим следам и
117
располагаются на равном расстоянии друг от друга.
Контурные линии корпуса строят путем перенесения точек пересечения
образующих с контурными линиями в лобовой проекции на соответствующие
следы 1-1, 2-2, … в горизонтальной проекции. По полученным точкам очерчивают контур корпуса в горизонтальной проекции.
От точки Е откладывают отрезок, равный   S  cos  и проводят линию
стыка лемеха с отвалом параллельно лезвию лемеха. Положение задней точки
линии стыка лемеха с отвалом определяется путем проецирования на эту линию соответствующей точки с лобовой проекции.
Для проектирования подрезного ножа проводят на лобовой проекции
вершину треугольника дополнительную образующую, а на горизонтальной
след плоскости, в которой лежит эта образующая, проецируют на построенный
след с лобовой проекции вершину треугольника. Положение остальных вершин
находят путем их переноса с лобовой проекции. Полученные точки соединяют
прямыми линиями.
Перенесением на горизонтальную проекцию точек пересечения образующих с горизонтальными линиями лобового контура строят линии горизонтальных сечений. При необходимости строятся шаблоны.
2.7 Особенности проектирования отвала плуга для
бороздной вспашки при использовании криволинейной
направляющей и образующих с переменным радиусом
кривизны
Установлено, что в определенных условиях лучший оборот пласта и более правильная его укладка вдоль борозды в случае, если отвал спроектирован с
использованием криволинейной направляющей и образующих с переменным
радиусом кривизны.
Проектирование такого отвала ведется несколько видоизмененным методом. После построения на лобовой проекции крайних образующих переходят к
построению горизонтальной проекции. Для этого вначале строят линию лезвия
лемеха и проводят следы поперечно-вертикальных плоскостей, в которых размещены крайние образующие, а затем переносят на эти следы с лобовой проекции точки m и n, определив этим положение точек направляющей. Полученные
118
точки М и N соединяют кривой линией заданной формы. Рекомендуется придавать кривой такую форму, чтобы средняя часть ее образовала с продольной
осью угол 5…11°, а крайние участки были расположены под несколько большим углом. После этого на горизонтальной проекции проводят через 100…150
мм следы поперечно-вертикальных плоскостей и точки их пересечения с направляющей кривой переносят на линию АВ лобовой проекции. Расстояния
между найденными точками на линии АВ при этом будут различными. Из этих
точек проводят прежним способом касательные, а затем и образующие, радиус
кривизны которых рассчитывается по формуле
Ri  R0  (i  1)R ,
где
i – порядковый номер точек между m и n;
R  R0
R  n
,
Z
Rn – максимальный радиус кривизны левой образующей, Rn=600…700 мм;
Z – число отрезков на линии АВ между точками m и n.
Дальнейшее построение ведется прежним способом.
2.8 Расчет и проектирование рабочих органов лемешных
плугов и лущильников
Конструкция лемешного плуга состоит из следующих рабочих органов:
корпус, предплужник, дисковый или черенковый нож, почвоуглубитель. Корпус плуга включает лемех, отвал и полевую доску, которые жестко укреплены
на стойке, присоединенной к раме плуга.
Предплужник
Основное назначение предплужника состоит в снятии верхнего задернелого слоя и сбрасывания его на дно борозды. Толщина пласта, снимаемого
предплужниками плугов общего назначения, зависит от глубины залегаемой
корневой системы растений и обычно равна a1=8…12 см (рис. 2.14). Предплужники специальных плугов в зависимости от их назначения рассчитываются на
большую глубину. Ширина захвата b1=2/3b, где b – ширина захвата корпуса.
Углы установки лемеха γ0 и θ0 выбирают в пределах: θ0=40…45° и
γ0=20…30°; Δθ=θmax-θ0 =3…5°. Закон изменения угла θ:
119
x2
y
.
2p
Порядок проектирования отвалов предплужника не отличается от порядка проектирования отвалов полувинтового типа. Линия полевого обреза отклоняется от вертикали в сторону борозды на 0,5…1°.
Рис. 2.14. Схема оборота пласта предплужником
Черенковый нож
Черенковые ножи применяют преимущественно на плугах специального
назначения: кустарниково-болотных, плантажных, лесных, а также на плугах
для вспашки минеральных почв, имеющих каменистые включения или погребенную древесину.
а – при консольном креплении; б – при жестком креплении (на двух опорах)
Рис. 2.15. Параметры черенковых ножей
Назначение ножа – подрезать пласт в вертикальной плоскости с недорезом на 70…150 мм (рис. 2.15 а), а в однокорпусных кустарниково-болотных
плугах ПКБ-75, ПБН-75 и ПБН-100 с перерезом пласта на 40…50 мм (рис. 2.15
б). В этих плугах используют двухопорные ножи с криволинейным лезвием и
второй опорой, расположенной на носке лемеха корпуса. Криволинейная форма
120
лезвия способствует выкорчевыванию крупных погребенных древесных остатков, которые остаются неподрезанными.
Размер черенкового ножа L и длину его лезвия £х определяют по формулам:
при консольном креплении
H  h  a
(2.19)
L
 L,
sin 
1 
a1  a
   1;
sin 
(2.20)
при жестком креплении
L1  H  h  a  L,
(2.21)
Н – вертикальный просвет плуга;
h – высота вертикальной полки рамы;
Δa – надрез пласта (70…100 мм);
ΔL – запас в длине ручки ножа на опускание при износе, равный 100 мм;
Δℓ1 – запас длины лезвия (100…150мм);
β – угол наклона лезвия к горизонту, β=65…70°.
Нижний обрез спинки криволинейного ножа (рис. 2.14б) рекомендуется
очерчивать по кривой радиуса, что обеспечивает меньшую срабатываемость
носка ножа по сравнению с прямолинейным обрезом.
Толщину ножа выбирают равной b=10…16 мм. Угол заточки симметричный, δ=30°. Лезвие ножа на ширину до 20 мм закаливают.
В горизонтальной плоскости нож следует несколько выносить в полевую
сторону на величину 3…5 мм, что предохраняет отвал от задирания за стенку
борозды.
Расчетное удельное сопротивление ножа на 1 см глубины хода при толщине спинки ножа 10…17 см, по данным проф. B.C. Жегалова, принимают
равным К=50 Н/см. Сила сопротивления ножа, действующая в направлении
движения, равна
Px  k  a1 ,
(2.22)
где
где
а1 – глубина хода ножа.
Точку приложения силы Рх принимают на расстоянии, равном
конца ножа.
a1
от нижнего
2
121
Дисковый нож
На плугах общего назначения, садовых и ярусных применяют дисковые
самоустанавливающиеся ножи (рис. 2.16). Дисковые ножи больших размеров
(600 мм и более) обычно устанавливают на кустарниково-болотных и лесных
плугах жестко к раме плуга.
Рис. 2.16. Параметры дискового ножа
Диаметр дискового самоустанавливающегося ножа определяется по формуле
D  2a  d c  2,
(2.23)
а – глубина хода диска;
dc – диаметр фланца ступицы, равный 100 мм;
Δℓ – зазор между фланцем ступицы и поверхностью поля, равный 50 мм.
Толщина дискового ножа определяется в зависимости от диаметра и принимается равной δ=0,01D. Угол заточки лезвия 20±2° при D<450 мм и 30±2°
при D>450 мм.
При работе на дисковый нож действуют силы сопротивления почвы резанию. Равнодействующая R этих сил проходит через центр вращения диска под
углом α=50…53°. Горизонтальная составляющая Rx оказывает сопротивление
передвижению плуга, а вертикальная Ry, возрастает, Rx убывает при одной и
той же глубине хода диска. По данным проф. Г.Н. Синеокова, горизонтальная
составляющая сопротивления ножа на различных по удельному сопротивлению
где
122
К0 почвах имеет следующие значения:
К0, (Н/см2) –
4,0;
6,0;
8,0.
R x, H
–
700…900;
1200…1500;
1800…2200.
Вертикальную составляющую принимают равной Ry=1,2Rx.
Из зарубежной практики известны дисковые ножи с вырезными или рифлеными дисками, которые в работе лучше перерезают растительные остатки и в
меньшей степени забиваются. Наиболее распространены диски диаметром 430
мм в плугах общего назначения. Вырезные диски обычно имеют 12…14 вырезов глубиной 38 мм, расположенных по дуге окружности, кромки их в плоскости диска скошены под углом 40±5°. Ширина рифленой поверхности части
диска при его диаметре 430 мм равна 50 мм, количество рифлей 50.
Почвоуглубитель
В зависимости от почвенных условий и агролесоводственных требований
глубина почвоуглубителя (рис. 2.17) выбирается в пределах от 5 до 15 см в плугах общего назначения и 15…35 см в специальных плугах для глубокой обработки почвы. Ширина захвата рыхлительной лапы принимается равной
где
1 3
b1    b,
 2 4
b – ширина захвата корпуса плуга.
Рис. 2.17. Схема к расчету параметров стойки глубокорыхлителя
Чтобы избежать обволакивания рыхлительной лапы корнями растений, угол
раствора лапы 2γ≤2(90°-φ), где φ – угол трения стали о почву. Обычно
123
2γ=55…70°. В плугах для глубокого рыхления устанавливают лапы односторонние, а стойку глубокорыхлителя – в плоскости полевого обреза корпуса
плуга. Угол подъема груди лапы α=21°, а угол наклона к горизонту в плоскости
вертикальной, перпендикулярной к лезвию β=35…40°.
Длина стойки почвоуглубителя определяется по формуле
L  a1  hp  hб  Ln ,
a – глубина рыхления;
hр – высота рамы плуга;
hб – толщина бруса рамы;
ΔLn – запас в длине стойки глубокорыхлителя при максимальном заглублении, ΔLn=50 мм.
Стойка должна быть прочной. Нагрузка на лапу достаточно велика и рассчитывается по формуле
Rп  0,6  0,9 Rк ,
где
где
RK – тяговое сопротивление корпуса плуга.
Сопротивление глубокорыхлителя растет с увеличением глубины рыхле-
ния.
Полевая доска корпуса плуга
Полевая доска опирается о дно и стенку борозды, способствует устойчивому ходу корпуса и плуга в целом. Длина полевой доски определяется из
следующих соображений (рис. 2.18).
Рис. 2.18. К расчету полевой доски
Результирующая нормального сопротивления и сил трения R', отклоненная от нормали на угол трения φ, может быть приложена в средней части
длины лезвия лемеха АВ. Для равновесия корпуса необходимо, чтобы направ-
124
ление R' пересекало стенку борозды на длине полевой доски. В этом случае реакция стенки борозды будет воспринята полевой доской и равновесие корпуса
не нарушится. Опасной для устойчивости корпуса будет нагрузка, сосредоточенная на заднем конце лемеха. В этом случае
b cos 
L
.
(2.24)
sin 0 cos(   0 )
При таком расчете полевая доска получится очень длинной и будет мешать работе поставленного сзади корпуса плуга. Поэтому расчет надо вести из
того, что R' приложена в точке D. В этом случае
b cos
L
.
(2.25)
2 sin  0 cos(  0 )
Ширину полевой доски рассчитывают по допустимому удельному давлению на стенку борозды. Допустимая глубина смятия почвы от давления полевой доски не должна превышать 5…10 мм. Для этой величины смятия удельное
давление полевой доски можно определить по формуле
h
q  q0 ,
(2.26)
2
где q0 – объемный коэффициент смятия почвы, равный 1…2,5 Н/см2;
h – глубина вдавливания, см.
Поперечная сила, прижимающая корпус плуга к стенке борозды, равна
Rпс  R cos(  0 ).
(2.27)
где
После соответствующих преобразований получаем
h
Rпс  qbд
,
sin 
δ – угол отклонения полевой доски при вдавливании на 5…10 мм;
bд – ширина полевой доски. Отсюда
R sin 
bд  пс
.
qh
(2.28)
Подставив значения q и Rпc, находим
2 R cos(   0 ) sin 
bд 
.
q0 h2
В многокорпусных плугах обычно ставят полевые доски двух размеров:
укороченную для последних корпусов и несколько удлиненную – для заднего
корпуса. Это дает возможность расставить корпуса на минимально допустимом
125
расстоянии один от другого и избежать излишнего удлинения всего плуга. Удлиненная задняя полевая доска придает плугу требуемую устойчивость.
Лемехи
Назначение лемеха – подрезать пласт в горизонтальной плоскости. Ширина подрезаемого пласта определяет захват корпуса плуга. По форме различают два основных типа лемехов: трапецеидальный и долотообразный.
Трапецеидальный лемех (рис. 2.19) имеет форму, близкую к трапеции,
длинная сторона ℓ которой является лезвием, противоположная короткая ℓ5
спинкой.
При установке его на стойку спинка лемеха образует стык с обрезом отвала. Боковые стороны образуют полевой и бороздный обрезы. Рабочая поверхность лемеха должна плавно переходить в поверхность отвала без перегиба
в месте стыка. На нижней грани лемеха имеется утолщение, которое используется для оттяжки лемеха при его износе.
Долотообразный лемех имеет более сложную форму рабочей поверхности (рис. 2.19 б). Вытянутый долотообразный носок по отношению к лезвию
отогнут вниз на 10 мм, что создает условия для лучшей заглубляем ости корпуса. По сравнению с трапецеидальным имеет несколько больший (на 14 см) уклон носка в полевую сторону, что обеспечивает корпусу большую устойчивость
по ширине захвата. Места долотообразного лемеха, наиболее подверженные
износу, выполняют также утолщенными.
Рис. 2.19. Плужные лемехи
126
Для работы на каменистых, плотных почвах на плугах общего назначения
к наиболее изнашиваемой части, то есть к носку трапецеидального лемеха, присоединяют выдвижные долота (рис. 2.19 в). Долото прикрепляют к стойке плуга
так, что его рабочий конец все время выступает за носок лемеха на 20 см. Выдвижное долото удлиняет срок службы лемеха в 2...2,5 раза. Кроме того, для
работы на каменистых почвах применяют долотообразный лемех с приваренной щекой (рис. 2.19 г). Щеку приваривают снизу параллельно полевому обрезу
лемеха. Щека предохраняет носок лемеха от поломок.
На корпусах кустарниково-болотных плугов параллельно полевому обрезу лемеха приворачивают долото или, если перед корпусом установлен двухопорный черенковый нож, планку с цилиндрическим носком (рис. 2.19 д), на
который насаживают долото черенкового ножа. Корпуса плантажных плугов
имеют съемные долота, которые при помощи паза насаживаются на полевой
обрез лемеха.
Широкое применение получили лемехи с лезвием, наплавленным с нижней стороны твердым сплавом сормайт 1. Наплавленное лезвие приобретает
свойство самозатачивания из-за более быстрого изнашивания верхнего мягкого
основного слоя металла и более медленного изнашивания нижнего твердого
наплавленного сплава. Наплавку производят с нижней стороны лезвия на ширину 25…30 мм и у носка до 60±5 мм. Толщина наплавленного слоя 1,4…2 мм.
Самозатачивающиеся лемехи с лезвием, наплавленным твердым слоем, работают в 10…12 раз дольше, чем обычные.
Затачивают лезвие со стороны рабочей поверхности, то есть сверху, угол
заточки равен 25…35°. Толщина лезвия после заточки не более 1 мм. Основные
размеры лемехов в мм (рис.2.19 а и б): ℓ=486…500; ℓ1=250; ℓ2=115; ℓ3=98;
ℓ4=120; ℓ5=380 для трапецеидальных и 405 для долотообразных; h=26 и а=14.
Лемехи изготавливают из стали Л53, подвергают термической обработке
(закалке с отпуском) на ширину (от лезвия) 20…45 мм, у полевого обреза лемеха зону закалки увеличивают до 50…75 мм. Твердость в термически обработанной зоне должна быть в пределах HRC 47…59. В последнее время лемехи
стали изготовлять из двухслойной стали; верхний слой из стали Л53, нижний
более твердый из стали Х6Ф1. Слои прочно сваривают. Такой лемех обладает
свойством самозатачиваемости, работает вдвое дольше, чем лемех с лезвием,
наплавленным сормайтом, а выдвижное долото его обеспечивает повышенную
127
долговечность носка.
При условии, что лезвие лемеха расположено перпендикулярно к направлению вектора скорости резания, геометрию лемеха можно представить
так, как показано на рис. 2.20. Задний угол AY предохраняет нижнюю грань лемеха от трения о срезаемую поверхность, то есть о дно борозды, и связан с углом резания α и углом заострения i зависимостью
    i.
Обычно принимают 5°≤Δγ≤10°.
Рис. 2.20. Геометрия лемеха
Рис. 2.21. Схема для определения
кинематических параметров лемеха
Угол γ лемеха характеризует крошащую способность корпуса. С его увеличением повышается крошение пласта, но одновременно возрастает и сила сопротивления крошению. Поэтому при выборе этого угла необходимо учитывать
оба эти фактора.
В плугах с полувинтовыми отвалами, подъем рабочей поверхности у которых более пологий, лемех устанавливают под меньшим углом крошения и,
наоборот, в плугах с культурными отвалами лемех устанавливают более круто.
Общий угол γ=γ1+Δγ установки лемеха к дну борозды принимают равным
25…30° для культурных и 20…25° для полувинтовых отвалов.
Угол i заострения лемеха оказывает большое влияние на процесс резания.
С потерей лезвия первоначальной формы возрастает сопротивление почвы и
резко снижается качество работы. Наиболее устойчиво и качественно лемех работает при угле заострения 25<i<35°.
При расчете параметров углы Δγ, γ, и i являются основными, а остальные

производными от них: угол резания θ=i+Δγ; передний угол     ; угол за2
128

 (   ) ; угол β=10°. Эти параметры относятся к статистической
2
геометрии лемеха и указываются на чертежах в сечения лемеха плоскостью,
перпендикулярной к лезвию лемеха.
Кинетическое значение параметров лемеха несколько отлично. Лемех при
работе в борозде располагается не перпендикулярно к направлению движения,
а под некоторым углом θ0<90° (рис. 2.21). При этом:
OC  OBtg  OAtg 1 .
точки  
Из треугольника АОВ имеем
ОВ=ОАsinθ0,
следовательно,
OAtg 1  OAtg  sin 0 ,
откуда
tg 1  tg sin  0 .
(2.30)
По аналогии получим:
tg 2  tg 1 sin  0 , tg 1  tg sin  0 и т.д.
Угол наклона лезвия к стенке борозды в горизонтальной плоскости в известной степени предопределяет боковой сдвиг пласта и крошащую способность отвала, а также влияет и на устойчивость хода плуга в борозде. Значения угла θ0 даны раньше. При выборе значения угла θ0 следует руководствоваться следующим положением: чем больше должны быть крошащая способность отвала или сдвиг пласта в сторону пашни, тем ближе к верхнему пределу
надо выбирать угол θ0.
2.9 Расстановка рабочих органов на раме плугов
Исходными данными для составления схемы плуга являются: Ь - ширина
пласта; Δb – перекрытие корпусов; а – глубина вспашки; с – дорожный просвет,
z – количество корпусов.
Расчетным путем определяется L – смещение корпусов по ходу плуга.
Для устойчивости работы плуга направление результатирующей R1 реакции
почвы на лезвие лемеха и силы трения о почву, проведенной через носок лемеха первого корпуса, должно пересекать носок лемеха заднего корпуса плуга.
Для этого необходимо, чтобы
129
L  b  tg (0   ).
(2.31).
Получив расчетным путем величину L, проверяют возможность размещения предплужников и ножей корпусами плуга. Для плугов общего назначения
при глубине вспашки 20…30 см корпуса необходимо устанавливать на расстоянии L не меньше 700…750 мм, иначе произойдет забивание плуга. При установке почвоуглубителей расстояние L увеличивают до 800…850 мм.
Для расстановки рабочих органов плуга на поле чертежа в горизонтальной проекции проводят z+1 параллельных линий (z – число корпусов) на расстоянии b друг от друга (рис. 2.22). На линии 2-2 из произвольно выбранной
точки А1 под углом θ0 проводят направление лезвия лемеха A1B1 до пересечения
с линией 1-1.
Для более полного подрезания пласта почвы, корневой системы растительности, во избежание огрехов при пахоте ширину захвата лемеха корпуса
увеличивают на величину перекрытия Δb. Для плугов общего назначения Δb=
25…30 мм, для лущильников Δb=50…70 мм. На плугах лесных и кустарниково-болотных с винтовыми отвалами корпуса рекомендуется устанавливать с
недокрытием на Δb=25…30 мм, то есть лемех делать несколько короче. Неподрезанная лемехом бровка пласта при недокрытии служит как бы шарниром,
вращаясь вокруг которого пласт более полно оборачивается и не сдвигается в
сторону.
Рис. 2.22. Схема расстановки корпусов на раме плуга
130
Увеличив на
b
длину А1В1 , получают длину лезвия лемеха в приняcos 0
том масштабе. Проводят перпендикуляр А1E к лезвию лемеха через его носок, а
под углом φ к A1E – направление результатирующей R1 сил сопротивления.
Продолжая направление R1, пересекают остальные параллельные линии 3-3, 4-4
и т.д. в точках А2, А3 и т.д., которые определяют местоположение носков лемехов остальных корпусов под углом во. Из каждой полученной точки проводят
линии лезвия лемехов и полевых обрезов в проекции на горизонтальную плоскость. Откладывают длину полевой доски.
Впереди каждого корпуса в плугах для вспашки культурных почв располагают предплужники, смещая их в сторону на ℓ1=5…10 мм относительно полевого обреза отвала (рис. 2.23). Расстояние между носками предплужника и
корпуса выбирают в пределах tп=250…300 мм. Лезвия предплужников проводят
к стенке борозды под углом 01   0  (1...3) .
Рис. 2.23. Схема расстановки рабочих органов на раме плуга
В плугах общего назначения при вспашке культурных почв дисковые ножи устанавливают перед последним корпусом, а на задернелых почвах перед
каждым корпусом. Ось диска должна находиться на одной вертикальной линии
с носком предплужника, допускается некоторое смещение центра ножа вперед
по ходу плуга до t1=40 мм. Плоскость диска должна быть параллельна направлению движения и отстоять на ℓ2=10-30 мм от плоскости полевого обреза основного корпуса. Диаметр дискового ножа определяется по формуле
d 

Dн  2 а    c ,
2

(2.32)
131
а2 – глубина хода ножа,
Δℓ – расстояние от ступицы ножа до поверхности поля;
Δℓ=20…30 мм;
dc – диаметр ступицы ножа, равный 100 мм.
В кустарниково-болотных плугах дисковые ножи устанавливают перед
каждым корпусом, а в лесных двухотвальных плугах в плоскости симметрии
корпуса, которые разрезают почву и корни растений на полную глубину вспашки или на 1…3 см глубже, то есть a2  a  (1...3) см . Для этих плугов Δℓ=30…50
где
мм и dс=150…200 мм.
Для рыхления подпахотного слоя почв с неглубоким пахотным горизонтом на плугах непосредственно за корпусами устанавливают почвоуглубители с
таким расчетом, чтобы во время работы обеспечить свободный проход взрыхленного слоя между лапой почвоуглубителя и корпусом. Принимают расстояние между носками основного корпуса и почвоуглубителя равным tп=500 мм. В
поперечном направлении почвоуглубитель располагают на расстоянии
tп=0,5b+S от плоскости полевого обреза корпуса, где S=20±5 мм. В случае применения односторонней стрельчатой лапы стойку глубокорыхлителя размещают так, чтобы ее левая сторона была в плоскости полевого обреза корпуса. Ширину захвата лапы принимают равной bп=(0,5…0,7)b, меньшие значения bп при
большей глубине рыхления, пределы которой составляют ап=25…50 см. Носок
лапы располагают ниже крыльев на m=10…20 мм.
После этих построений и проверки размера L, полученного графически
или расчетным путем, вносят соответствующие коррективы и окончательно
размещают корпуса на схеме (рис. 2.22).
Расположение переднего корпуса относительно трактора в поперечном
направлении выбирают в зависимости от того, где будут находиться правые ходовые части трактора относительно стенки борозды. Гусеничный трактор
обычно движется обеими гусеницами по полю, причем внешний край правой
гусеницы располагается на расстоянии не менее е=100…200 мм от стенки предыдущей борозды (рис. 2.24 а). Колесные тракторы имеют меньшую мощность,
поэтому ширина захвата плуга получается небольшой и трактор приходится
вести правыми колесами по борозде (рис. 2.24 б).
132
а – ходовые части трактора движутся по поверхности поля;
б – правые ходовые части трактора движутся по борозде
Рис. 2.24. Расположение плуга относительно трактора при разном соотношении
ширины захвата плуга и ширины колеи трактора
Соответствие габаритных размеров трактора ширине захвата плуга – это
условие прямолинейного движения пахотного агрегата. Введем обозначения:
LГТ – расстояние от стенки борозды до линии тяги трактора;
Lп – расстояние от стенки борозды до линии сопротивления плуга;
е – расстояние от стенки борозды до края правой гусеницы;
BГТ – ширина гусеницы трактора;
Вк – ширина колеи трактора.
При работе гусеничного трактора идеальным является случай, когда линия тяги трактора параллельна стенке борозды, находится в плоскости симметрии трактора и результирующей сил сопротивления, то есть LГТ=Lп.
Следовательно, желательно соотношение
Bк  Bгт  2е  (2с  n  1)b,
откуда
Bк  (2с  n  1)b - Bгт  2е,
где
с≈0,7;
b – ширина захвата корпуса.
(2.33)
133
Для трактора, правые колеса которого перемещаются по борозде, имеем
Bк  b(2с  n  1)  bбор ,
(2.34)
bбор – ширина борозды.
Высоту расположения рамы плуга над опорной плоскостью определяют
из условия свободного подъема, оборота и прохода пласта под рамой при проведении первой борозды по формуле
2
H  b  a.
(2.35)
3
Принято для плугов с шириной захвата корпусов 30 и 35 см равным 54 см
и с шириной захвата 40 см H=64 см.
Дорожный просвет h принимают в зависимости от класса и назначения
плуга: для прицепных плугов общего назначения h=20…25 см (расстояние от
носков лемехов до опорной плоскости ходовых колес плуга); для полунавесных
плугов h=20…25 см (от носка лемеха заднего корпуса до опорной поверхности
заднего колеса); для навесных плугов h=30…40 см (от носка лемеха переднего
корпуса до опорной плоскости поверхности почвы).
Расположение опорного колеса навесных плугов находят с учетом оптимальной нагрузки, передаваемой от плуга на трактор, и устойчивостью хода
плуга по глубине. Колесо рекомендуется располагать от носка лемеха первого
корпуса на расстоянии ℓк, равном 1/3 расстояния между носками лемехов переднего и заднего корпусов.
В поперечном направлении опорное колесо надо устанавливать так, чтобы расстояние ℓn от осевой линии обода до стенки борозды в 1,2…1,5 раза было
больше максимальной глубины вспашки аmах. При таком расположении опорного колеса обеспечивается равномерный ход корпусов по глубине и исключается
деформирование стенки борозды от давления обода колеса. Аналогичными
требованиями определяется установка опорного колеса на полунавесных плугах.
где
2.10 Силы, действующие на навесной плуг,
и условия равновесия
Силы сопротивления почвы, преодолеваемые при работе корпусом плуга,
представляют собой пространственную систему сил и не могут быть приведены
134
к одной равнодействующей. Однако в каждой плоскости проекции, то есть в
горизонтальной хоу и вертикальных zoy и zox, суммарное действие элементарных сил сопротивления почвы можно представить одной результатирующей
силой определенной величины и направления. Значение этих сил определяют
пространственным динамометрированием.
Рис. 2.25. Схемы сил, действующих на навесной плуг с гусеничным трактором
В вертикальной плоскости zox (рис. 2.25) на плуг, навешенный на гусеничный трактор, действуют вес плуга G, вертикальная составляющая сил сопротивления корпусов Rzx, сила тяги Pzx, результатирующая сил трения полевых
досок о стенку борозды FПx, реакция на ободе опорного колеса R0.
Массу плуга находят на основании удельной металлоемкости на 1 м ширины захвата по аналогии с существующими типами плугов родственного класса, то есть
Gп  qп  В,
(2.36)
где
qп – удельная металлоемкость, кг/м;
В – ширина захвата,
P 
B т и;
K0  a
Рт – тяговое усилие трактора на выбранной скорости движения пахотного
агрегата, кН;
ηи – коэффициент использования тягового усилия трактора, ηи=0,8…0,95;
135
а – максимальная глубина пахоты, см;
K0 – удельное сопротивление почвы, Н/см2 (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Значения удельного сопротивления почвы
Виды работ
Вспашка черноземных и каштановых почв
Вспашка сероземных почв
Вспашка торфяных и заболоченных почв
Вспашка закустаренных почв
Вспашка солонцовых почв
Вспашка подзолистых почв
Нарезка борозд на вырубках
Вспашка горных склонов
K0, Н/см2
3…8
5…9
5…10
8…15
12…18
6…10
7…15
7…17
Рассчитав B и зная ширину пласта b  k  a, где k=1,4…1,6, находят количество корпусов z, округляя до целого числа.
Сила Rzx равна
Rzx  Rx2  Rz2 ,
где
(2.38)
Rx – горизонтальная составляющая сил сопротивления, действующих на
корпус, которая определяется расчетным путем
Rx  k0  a  b  ,
(2.39)
η – тяговый КПД, учитывающий «мертвое» сопротивление плуга на перекатывание по полю, η=0,6…0,8;
Rz – вертикальная составляющая сил сопротивления, Rz=±0,2Rx (минус
имеет место при работе корпуса с затупленным лезвием лемеха, вследствие чего происходит выталкивание плуга вверх);
Необходимо графическим путем определить остальные силы – R0, Pzx, FПy
и, кроме того, силы S, N1 и N2, действующие в верхней и нижних тягах механизма ABCD) навески трактора.
Для расчета условий равновесия плугов в вертикальной плоскости задаются значением коэффициента μ перекатывания колес, что позволяет определить направление силы R0. При работе плуга на плотных почвах μ=0,15, а на
рыхлых μ=0,2.
136
Величина силы FПx зависит от целого ряда факторов: от боковой составляющей сопротивления почвы Rv, коэффициента трения f, расположения на раме опорного колеса, направления в плане тяги и верхнего звена АВ механизма
навески и других факторов, которые трудно рассчитать. Поэтому величиной
R
силы FПy задаются исходя из следующих: принимают, что FПy  Ry  x и f=0,5.
3
R
Тогда FП x  x .
6
Далее принимают, что сила FПx приложена на конце полевой доски среднего корпуса и направлена по середине ширины полевой доски (при четном
числе корпусов – между концами полевых досок средних корпусов).
Навесной плуг в вертикальной плоскости находится в равновесии, если
равнодействующая всех сил сопротивления и веса плуга проходит через мгновенный центр вращения ж навесного устройства трактора.
Для нахождения сил, действующих на навесной плуг в вертикальной
плоскости, на схеме плуга (рис. 2.25) наносят силы G, Rzx, FПx и R0, и строят силовой многоугольник. При построении силового многоугольника сначала складывают известные силы G и Rzx и находят их равнодействующую Rq. На схеме
плуга через точку 1 пересечения направлений действия сил G и Rzx проводят
прямую 1-2 параллельно равнодействующей Rq до пересечения с направлением
силы FПx в точке 2. Далее в многоугольнике сил складывают Rq с силой FПx и
находят их равнодействующую RF. Через точку 2 параллельно силе F проводят
прямую 2-3 до пересечения с направлением силы R0 реакции на ободе опорного
колеса в точке 3. Соединив точки 3 и π, определяют нормальное направление
силы тяги Pzx, обеспечивающее устойчивое движение плуга в борозде. Разложением равнодействующей RF по направлениям действия сил Pzx и R0, определяют их величины в многоугольнике сил. Если разложить силу Pzx по направлениям тяг навесного устройства трактора, то есть по направлению верхней тяги АВ и направлению нижних тяг CD, то в многоугольнике находят значение
сил S, действующей в верхней тяге, и N1  N 2 – в нижних тягах.
В горизонтальной плоскости хоу на плуг действуют силы Рxy, Rxy, FПy и
R0 . При построении силового многоугольника вначале складывают силы Rxy и
R0 , получают равнодействующую Rr, параллельно которой на схеме плуга через точку 4 пересечения направлений действия сил Rxy и R0 проводят прямую
137
4-5 до пересечения с линией направления действия силы FПy. Полученную точку 5 соединяют с полюсом π1. Прямая 5-π1 определяет направление горизонтальной соответствующей силы тяги Рху. Нормальный ход плуга в горизонтальной плоскости будет при условии, что точка прицепа плуга располагается на
линии продольной оси трактора, совпадает с линией направления действия силы тяги.
Для определения усилий, возникающих в тягах АВ, C1D1 и C2D2 навесного
устройства трактора, из силового многоугольника, построенного для вертикальной плоскости, проектируют и наносят на многоугольник сил, построенный для горизонтальной плоскости, усилие S, воспринимаемое верхней тягой
АВ навесного устройства. Затем из схемы плуга в силовой многоугольник горизонтальной плоскости переносят направления нижних тяг C1D1 и C2D2, определяют усилия N1 и N2, возникающих в этих тягах.
Колесный трактор при работе с плугом правыми колесами движется по
открытой борозде, то есть в поперечной плоскости имеет наклон в сторону борозды, определяемой глубиной пахоты. Из-за наклона трактора нижние тяги
навесного устройства проектируются на продольно-вертикальную плоскость
раздельно, каждая тяга самостоятельно. В горизонтальной плоскости нижние
тяги образуют с осью X различные по величине углы. Кроме того, из-за наклона
трактора направление верхней тяги АВ в горизонтальной проекции не всегда
проходит через полюс π. Таким образом, при построении силового многоугольника эти особенности следует учитывать. Когда равновесие плуга и колесного
трактора рассматривают только в продольно-вертикальной плоскости проекций, то наклон трактора можно не учитывать.
Построение многоугольника сил в вертикальной и горизонтальной плоскости и определение их величин для навесного плуга, работающего поперек
склона, остаются аналогичными описанному выше. Только необходимо учитывать дополнительно возникающую силу – горизонтальную составляющую силу
тяжести G плуга G  sin  , где α – крутизна склона, направленную вниз по склону.
При обороте пласта вверх по склону сила FПу возрастает на величину,
равную G  sin  , а при обороте вниз – уменьшается на эту же величину. Поэтому сила трения составит: при обороте вверх FПx  Ry  G  sin    f и при обороте вниз FПx  Ry  G  sin    f , где f – коэффициент трения, f=0,5; Ry – боко-
138
Rx
.
3
Лесные двухотвальные плуги являются симметричными орудиями, они
оборудованы лево- и правооборачивающими лемешно-отвальными поверхностями, установленными на одной стойке и не имеют полевую доску, поскольку
вая составляющая сопротивления почвы, Ry 
л
л
боковые силы Ry и Rxy , левооборачивающей стороны уравновешены силами
n
Ryn и Rxy
правооборачивающей стороны (рис. 2.26). Силы G, Rzx, Pzx и R0 рас-
положены в одной продольно-вертикальной плоскости, совпадающей с плоскостью симметрии трактора, что определение их значений делает простым.
Рис. 2.26. Силы, действующие на двухотвальный корпус
2.11 Проектирование лемешно-отвальной поверхности
корпуса плуга-канавокопателя
Канавокопатели применяют для нарезки осушительных и оросительных
канав и для подготовки площади под лесные культуры в условиях избыточно
переувлажненных почв. Отвал канавокопателя должен поднимать грунт на уровень поверхности поля и сдвигать в сторону при минимальных энергозатратах.
Для проектирования необходимы следующие исходные данные: глубина
канавы а=30…120 см; ширина канавы по дну b=30 см; угол наклона откосов
канавы λ=25…45°; характеристика площади, физико-механические свойства
почвы.
Проектирование рабочей поверхности корпуса канавокопателя ведется
методом горизонтальных образующих, при этом направляющая кривая размещается в вертикальной плоскости симметрии канавы. Направляющая кривая
имеет форму параболы.
139
Построение лобовой проекции лемешно-отвалоной поверхности производят в следующем порядке (рис. 2.27).
Рис. 2.27. Построение рабочей поверхности корпуса канавокопателя
Изображают поперечное сечение канавы. Общую высоту канавы H и ширину В определяют из условия равновесия площади поперечного сечения непосредственно самой канавы и ее насыпных валиков с учетом степени разрыхления:
F1 
где
2 F2
,
Kp
(2.40)
F1  a b  actg  ;
F2  H - a 2 ctg  ;
Kр – коэффициент разрыхления грунта, Kр=1,2…1,3.
Подставив значения F1 , F2 в (2.41) и решив уравнение относительно Н,
получим
H a
ab  a 2  ctg
 Kp .
2ctg
(2.41)
Ширина канавы
B  b  2Hctg .
(2.42)
Находят параметры корпуса. Высоту корпуса по оси симметрии принимают
140
H min  1,9 a.
Высота корпуса по краям, в связи с некоторым скапливанием сдвигаемого грунта перед крылом отвала, должна быть несколько выше, чем в средней
части, и равна
H 0  1,2... 1,3H.
Общая ширина В0 двухотвального корпуса канавокопателя также должна
быть несколько больше ширины канавы В с целью предупреждения осыпания
грунта в канаву:
B0  1,1...1,15 B.
Строят контурные линии проекции корпуса на поперечно-вертикальную
плоскость. В нижней части и по бокам эти линии совпадают с контурными линиями канавы, контуры верхней части проводят, используя расчетные величины Нmin, Н0, В0. Все контурные линии на лобовой проекции являются прямолинейными отрезками. На этой проекции обозначают следы горизонтальных образующих 1-1, 2-2, …, n-n на расстоянии 50…100 мм друг от друга.
Строят с левой стороны от лобовой проекции направляющую кривую высотой Hmin, используя дугу окружности радиусом
R
где
a
,
2 sin   sin  0   
(2.43)
ε – половина центрального угла дуги окружности в пределах глубины а,

a 0
;
2
γa – угол между горизонтом и касательной к направляющей кривой на
уровне поверхности поля;
γ0 – угол установки лемеха к дну борозды, который равен 25…35° для
минеральных почв и 20…25° для торфяников.
На участке от дна канавы (z=0) до уровня поверхности поля (z=a) для
обеспечения более плавного подъема пласта вверх целесообразно, чтобы угол γ
удовлетворял условию γ<90°-φ1, где φ1 – угол трения грунта о сталь,
φ1=25…45°. Однако выше уровня поверхности поля целесообразно γ<90°-φ1,
так как при таком значении у почвенный слой меньше поднимается вверх по
отвалу, а более интенсивно смещается в стороны. Поэтому на уровне поверхности поля принимают  a  90  f1 .
141
Вылет направляющей прямой определяется по формуле:
L    ctg  0   .
(2.44)
Из произвольной точки А, лежащей на линии дна канавы проводят вертикальную линию и наклонную к ней под углом γ0. На расстоянии а от горизонтальной линии АС проводят вторую горизонтальную линию. На наклонной
прямой откладывают от точки А радиус R из полученного центра О описывают
дугу окружности до пересечения с верхней горизонталью в точке В. Затем к
крайним точкам дуги проводят касательные до пересечения их между собой. На
нижней касательной откладывают прямолинейный отрезок S≤150…200 мм.
Длина отрезка увеличивается с ростом глубины канавы и плотности грунта.
Чем длиннее отрезок, тем менее интенсивно растет угол γ в нижней зоне направляющей кривой и тем меньшим будет сопротивление грунта его подъему
вверх по отвалу. Оставшаяся часть нижней касательной и верхнюю касательную делят на 8…10 равных частей, полученные одноименные точки 1-1, 2-2 и
т.д. соединяют между собой прямыми линиями. Через точки пересечения прямых проводят плавную огибающую параболу.
На участке выше уровня поверхности поля до Hmin направляющую проводят по касательной к параболе в верхней ее точке.
Продолжают проекции образующих в левую сторону до пересечения с
направляющей кривой, получают отрезки t1-t1, t2-t2, …, tn-tn, которые определяют вылет направляющей кривой на разной высоте.
Для построения горизонтальной проекции корпуса канавокопателя продолжают ось симметрии канавы и на расстоянии (1…1,5)В отмечают точку с1
через которую проводят горизонтальный отрезок, равный b; вверх от данной
точки откладывают отрезки t1-t1, t2-t2, …, tn-tn. Из найденных точек проводят образующие под расчетными углами θi, к продольной оси, величины которых находятся из следующих соображений.
Ввиду того, что отвал канавокопателя работает в сплошной среде, его рабочая поверхность в зоне от дна канавы до уровня поверхности поля не должна
производить бокового давления на поднимаемый слой грунта, иначе этот грунт
будет прижиматься к стенкам канавы, что приведет к резкому повышению
энергоемкости процесса. Для выполнения этого условия нижнюю образующую
отвала размещают под углом θ0=90°.
Выше поверхности поля отвал, наоборот, должен производить интенсив-
142
ное боковое давление на поднимаемый грунт и смещать его в стороны. Эта задача выполняется при условии, если
  90   i .
В связи с этим принимают на уровне поверхности поля угол  a  90  1 ,
в зоне же от z=0 до z=а закономерность его изменения (рис. 2.28) выражается
уравнением
x  x0  Az n ,
где
(2.45)
х – линейная величина, характеризующая разность значений угла θ на высоте от z-0 до z-а;
0   a i
x0 
m

m
;
m – масштаб для перевода линейных величин в угловые;
n – показатель степени, n=2,5…2,7;
А – коэффициент параболы, определяемый, при известных значениях х и z
на уровне поверхности поля (х=0, z=а), по формуле
A
x0
.
ah
(2.46)
Преобразовав (2.45) с учетом значений x0 и А, находят
  z
x  1 1   
m   a 
n

.

(2.47)
Рис. 2.28. График зависимости угла θ от высоты расположения образующей
отвала канавокопателя
Угол θ по мере подъема образующей вверх (рис. 2.28) вначале уменьшается очень медленно, а затем более интенсивно. Такой характер уменьшения
угла θ соответствует требованиям в отношении обеспечения возможно мень-
143
ших боковых усилий, действующих со стороны отвала на пласт в нижней части
канавы.
Для зоны от z=0 до z=а определяют значения угла в для любой образующей по формуле
 i   a  mxi ,
где xi – находят по формуле (2.47), подставляя в нее разные значения zi (50,
100 мм и т.д.).
В зоне от z=а до z=Н значение угла в остается почти постоянным, но иногда в самой верхней части отвала этот угол увеличивают на 2…5° во избежание
осыпания грунта в канаву.
После того как проведены образующие по углам θi В обе стороны от оси
симметрии корпуса, строят контурные линии отвалов. Для этого переносят с
лобовой проекции точки пересечения образующих с соответствующими контурными линиями и соединяют их плавными кривыми или прямыми линиями.
На горизонтальной проекции наносят через 100…200 мм следы сечений
поперечно-вертикальными плоскостями y1-y1, y2-y2, …, yn-yn. Точки пересечения
каждого следа с образующими и контурными линиями переносят на лобовую
проекцию и соединяют плавными кривыми.
ДИСКОВЫЕ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ ОРУДИЯ
2.12 Типы и назначение дисковых орудий и параметры дисков
Почвообрабатывающие орудия, имеющие дисковые рабочие органы,
применяют для выполнения следующих операций:
дисковые плуги – для сплошной и полосной обработки тяжелых почв, для
нарезки борозд и образования микроповышений на раскорчеванных и нераскорчеванных вырубках; дисковые лущильники – для лущения стерни, разделки
залежи, измельчения глыб и ухода за парами; дисковые бороны – для разделки
пластов после вспашки на открытых площадях и раскорчеванных вырубках,
поверхностной обработки почвы на вырубках с пониженными пнями, измельчения глыб и ухода за парами, междурядной обработки почвы в садах и лесных
культурах; дисковые культиваторы – для ухода в междурядьях лесных культур;
дисковые рыхлители и покровосдиратели – для содействия естественному во-
144
зобновлению леса.
В дисковых боронах, культиваторах, лущильниках, рыхлителях и покровосдирателях применяют батарейное размещение сферических дисков, а в дисковых плугах – индивидуальное, то есть каждый диск вращается на своей оси.
В последние несколько лет начали применять дискаторы, которые имеют назначение, что и дисковые бороны, но в отличие от последних, в них каждый
диск, как и в плугах, установлен на индивидуальной оси вращения. Диски бывают сплошные (рис. 2.29а) и вырезные (рис. 2.29б). Первые применяют на
дисковых плугах, лущильниках, культиваторах и некоторых дисковых боронах;
вторые – на тяжелых дисковых боронах и дискаторах.
Рис. 2.29. Сферические диски
Основными геометрическими параметрами сферических дисков являются
(рис. 2.30) диаметр диска D; радиус кривизны R; угол атаки α (угол установки
диска к направлению движения агрегата); угол β наклона плоскости вращения
лезвия к вертикали; центральный угол 2γ дуги окружности, образуемой в результате сечения диска экваториальной плоскостью; задний угол ε; угол ω резания; угол i заострения режущей кромки диска.
Рис. 2.30 Геометрические параметры сферического диска
Значение угла φ находят из выражения
145
  i ,
(2.48)
где i=10…20° – для дисков борон, культиваторов, лущильников и покровосдирателей;
ε – задний угол резания, то есть угол между тыльной стороной режущей
кромки диска и стенкой борозды, рекомендуется принимать ε=3…5°.
Из рис. 2.30 имеем следующее соотношение углов:
     , где     i.
Угол атаки для борон α=10…25°; лущильников, культиваторов и покровосдирателей α=25…35°.
Диаметр диска и его кривизна связаны соотношением:
D  2 R sin  .
(2.49)
Параметры вырезов вырезанных дисков (рис. 2.29 б) по кромке лезвия
равны: E 
3B
D
, высота выреза C  , число вырезов 8, форма – округлая.
2
8
Лезвия затачивают со стороны выпуклой поверхности диска и только у
дисков, устанавливаемых на тяжелых боронах, – со стороны выгнутой поверхности.
2.13 Расчет и проектирование орудий батарейного
размещения дисков
Сферический диск, разрезая почву, разрыхляет, перемешивает и отваливает ее в сторону. Степень воздействия диска на почву зависит от радиуса кривизны R диска, массы G орудия и угла атаки. Чем меньше радиус кривизны
диска, тем интенсивнее происходит перемешивание и разрыхление почвы. Увеличение массы дискового орудия способствует заглублению дисков в почву, в
результате возрастает глубина обработки почвы. Увеличение угла α затрудняет
сползание почвенных частиц с поверхности диска, увеличивается сгруживание
почвы впереди диска и в результате сфера деформации почвы расширяется.
Диск оставляет в почве эллипсовидный след, причем высота выступов
или гребней находится в зависимости от размещения дисков в батарее, диаметра диска и угла атаки.
Введем следующие обозначения (рис. 2.31):
b – расстояние между дисками в ряду;
146
а – глубина обработки почвы;
α – угол атаки;
h – высота гребней;
D – диаметр диска;
ℓh – длина хорды погруженного в почву сегмента диска на глубине h. Заданными параметрами являются а, α, а также исходные требования в отношении характера воздействия рабочих органов на обрабатываемый слой почвы.
Расчет диаметра производят по формуле
D  k  a.
(2.50)
где k – коэффициент, равный для лущильников 5…6; для борон, культиваторов и покровосдирателей 4…6.
Отсюда радиус кривизны сферической поверхности диска будет равен
R
D
D
sin  или R  sin   i   .
2
2
Для борон γ=22…26°, для дисковых лущильников, культиваторов и покровосдирателей γ=26…32°.
Расстояние S между вершинами гребней зависит от расстояния между
дисками в ряду и от величины угла атаки. Из треугольников cfg и knm имеем
соответственно
S   h sin 
S  b  cos  .
и
147
Рис. 2.31. К расчету дисковой батареи
Отсюда
b   h  tg .
Величина ℓh, связана с высотой гребней и
(2.51)
h
является катетом прямо2
угольного треугольника ОАВ, поэтому
 h  2 hD  h .
(2.52)
Подставив в выражения b   h  tg и S   h sin  значение ℓh, будем
иметь:
b  2 tg hD  h ;
(2.53)
S  2 sin  hD  h.
(2.54)
Задаваясь высотой гребней и углом атаки α, можно определить значение
b. Высота гребней находится по формуле:
h  1   2a,
(2.55)
η=0,7-0,8 – степень равномерности глубины обработки почвы. Для расчетов принимают h=(0,4…0,6)а.
Если исходить из условия минимального значения высоты гребней, то
расстояние между дисками орудий для поверхностной обработки почвы не
должно превышать 100 мм. При такой величине b возникает опасность забивания (заклинивания) дисков глыбами. Чтобы избежать этого, дисковые бороны
и культиваторы изготовляют двухрядными и расстояние b увеличивают вдвое.
При этом батареи устанавливают на раме так, чтобы диски второго ряда проходили между следами дисков первого ряда.
Толщина сферических дисков определяется эмпирической зависимостью:
δ=0,008D (мм) – для легких и средних почв;
δ=0,01D (мм) – для тяжелых почв;
δ=(0,015…0,02)D (мм) – для лесных вырубок.
Массу дискового орудия определяют по формуле:
G  z  q,
(2.56)
где
где
z – число дисков;
q – нагрузка на диск, Н.
Нагрузку на диск можно принимать: 300…350 Н для тяжелых почвенных
148
условий; 230…280 Н для средних условий и 500...700 Н для вырубок.
2.14 Проектирование и расчет дисковых плугов и
дискаторов
В дисковых плугах и дискаторах применяют индивидуальную установку
дисков на наклонной оси вращения, то есть плоскость вращения кромки лезвия
наклонена к вертикали под углом β (рис. 2.32). Наряду с этим устанавливают
угол атаки α=25…30°. Другими основными параметрами сферических дисков
являются диаметр диска D, радиус кривизны R, центральный угол 2γ дуги окружности, образуемой в результате сечения диска экваториальной плоскостью,
углы ε, ω, i; толщина диска, поперечное расстояние между дисками В0 и продольное расстояние ℓпр между осями вращения дисков.
Расчет диаметра сферических дисков ведется по двум условиям: обеспечения заданной глубины обработки почвы и оборота почвенного пласта. По первому условию
D  k  a  a,
(2.57)
где
k – коэффициент, равный у плугов для лесных вырубок k=3,5…4,0 и для
открытых площадей k=3…3,5;
Δа – высота микронеровностей поверхности почвы, Δа=2…3 см.
Рис. 2.32. Корпус плуга
Надежный оборот пласта диском достигается в случае, если ширина захвата b=(2,0…2,5)а. Исходя из этих соображений, применяют следующий порядок
расчета диаметра.
По принятой глубине вспашки определяют ширину захвата. Для дисков, ра-
149
ботающих без перекрытий (плуг для образования микроповышений), по принятой ширине захвата рассчитывают длину горизонтальной хорды диска Da (рис.
2.33), расположенной в сечении диска горизонтальной плоскостью на уровне поверхности поля, из выражения
b
Da 
,
(2.58)
sin 
где b – ширина захвата диска, определяемая по (2.53).
Рис. 2.33. Профиль дна борозды
Для других типов, у которых рабочие органы установлены с некоторым
перекрытием, длину хорды Dh, расположенной в сечении диска горизонтальной плоскостью на уровне гребней, образуемых на стыке двух смежных борозд, определяют по формуле
S
Dh 
,
(2.59)
sin 
где S – расстояние между соседними гребнями, определяемое по (2.54).
Высота гребней на дне борозды, оставляемых дисковым плугом, при расчетах принимается h=(0,5…0,6)а, фактическая высота гребней примерно в два
раза меньше расчетной.
Формулы (2.58) и (2.59) действительны для случая, когда диски установлены вертикально.
Применительно к наклонным дискам эти формулы приобретают вид:
Da  2
a 
a 
D 
,
cos  
cos  
(2.60)
150
Dh  2
h 
h 
D 
.
cos  
cos  
(2.61)
Подставив в (2.60) и (2.61) значение Da из (2.58) и Dh из (2.59), определяют диаметр диска по условию надежного оборота пласта. У диска, работающего
без перекрытия,
b 2 cos 
a
D

;
4a sin 2 x cos 
(2.62)
у диска, работающего с перекрытием
S 2 cos 
h
D

.
4a sin 2 x cos 
(2.63)
Из двух рассчитанных значений диаметра диска выбирают максимальное.
Для плуга, предназначенного для работы на нераскорчеванных вырубках высоту пней (препятствий), через которые диски могут перекатываться без их принудительного выглубления, определяют по формуле
D cos 
hпня 
 a  a.
(2.64)
2
Радиус R кривизны диска и его диаметр связаны соотношением
D  2 R sin  .
(2.65)
Угол γ равен
    i  ,
α – угол атаки, α=40…45°;
i – угол заострения режущей кромки, i=15…20°;
ε – задний угол резания, ε=3…5°.
Подставляя найденное значение угла γ в формулу (2.65), находят радиус
кривизны диска. Прогиб диска ℓп находят из зависимости
 п  R1- cos  .
(2.66)
где
Толщина диска принимается равной:
δ=0,01D – для открытых площадей;
δ=(0,015…0,02)D – для вырубок.
После расчета диаметра и выбора остальных параметров производят
проверочный расчет заднего угла резания ε и угла схода αсх почвенного пласта с
диска (рис. 2.34).
Задний угол ε, с целью уменьшения трения тыльной стороны рабочего
151
органа о стенку борозды, должен иметь в горизонтальном экваториальном сечении диска положительную величину:
      i  0...10.
(2.67)
D
,
2R
i  15...20.
  arcsin
Рис. 2.34. Схема к расчету заднего угла резания и угла схода пласта с диска
Следует отметить, что в пределах зоны контакта диска с почвой угол ε не
остается постоянным, по мере перемещения данной точки режущей кромки рабочего органа в почве, он резко возрастает от минимальной величины на входе
диска в почву, близкой к нулю, до 60…130°. Поэтому в отдельных случаях допускается отрицательное значение угла s в экваториальном сечении. При этом
предполагается, что зона режущей части лезвия с отрицательными углами ε будет иметь малую длину (1…2 см) и это не окажет существенного влияния на
износ и сопротивление рабочего органа.
Угол схода пласта с диска αсх рассчитывают по формуле:
 сх     .
(2.68)
Для того чтобы пласт на сходе с диска не разрывался на куски и укладывался вдоль борозды в виде сплошной ленты, этот угол у плугов, отваливающих пласт на необработанную поверхность (плуги для нарезки борозд и образования микроповышений), не должен превышать 55…60°, а у плугов, отваливающих пласт в открытую борозду, 60…65°.
Если условия (2.67) и (2.68) не выполняются, то корректируют значения
параметров диска.
Расчет поперечного расстояния между сменными дисками В0 и ширины
152
захвата В выполняют по следующим зависимостям:
у плуга для нарезки борозд (рис. 2.35)
B0  2b2-b4 ,
(2.69)
B0  2b1  b2  b3 ,
(2.70)
где
b1  sin 
a 
a 
D 
;
cos  
cos  
b2  sin x
h 
h 
D 
;
cos  
cos  
b3  a  h tg cos  ;
D

b4   cos   h  tg cos  .
2

У плуга для полосной вспашки (рис. 2.36)
B0  2b2 ;
B  2b1  2n  1b2 ,
где
(2.71)
(2.72)
n – число дисковых корпусов плуга.
Рис. 2.35. Расстановка дисковых paбочих органов плуга для нарезки борозд
Рис.2.36. Расстановка дисковых рабочих органов плуга для полосной
вспашки
153
У плуга для образования микроповышений (рис. 2.37)
B0  7,2b1  2b5 ;
(2.73)
B  9,2b1 ,
D

b5   cos   a  tg cos  .
2

Продольное расстояние между смежными дисками рассчитывают по
формулам:
у плуга для нарезки борозд (рис. 2.35)
где
 пр
где
где
D

D2
2 sin   b4  b2  R  R 2 
2

4  ,
 
tg
sin 
(2.75)
Δℓ=50…100 мм;
у плуга для полосной вспашки (рис. 2.36)
b


D
cos

tg


    k  cos   
пер

cos 
 cos  пер ,
 пр  B0 tg  
D
d
a


   k 

sin 
  2 2 cos  

αпер – угол перегиба пласта, наползающего на диск, αпер=45…60°.
У плуга для образования микроповышений ℓпр=0.
(2.76)
Рис. 2.37. Расстановка дисковых рабочих органов плуга для образования
микроповышений
Расчет параметров эллипсов, являющихся проекциями диска на коор-
154
динатные плоскости:
в плоскости XOZ (продольно-вертикальная плоскость)
2 a0  D;
где
где
2b0  Dcos cos ;
tg 
tg
,
sin 
2а0 – большая ось эллипса;
2b0 – малая ось эллипса;
τ – угол между большей осью эллипса и вертикалью или между малой
осью эллипса и горизонтом.
В плоскости YOZ (поперечно-вертикальная плоскость)
tg
2 a0  D;
2b0  Dcos sin ;
tg 
,
cos 
 – угол между большей осью эллипса и вертикалью.
В плоскости XOY (горизонтальная плоскость)
2 a0  D;
2b0  Dcos sin,
α0 – угол между большей осью эллипса и осью ОХ (α0=α).
Данные о параметрах эллипсов и о размещении дисков используются при
вычерчивании общего вида плуга в трех проекциях.
Из остальных параметров (рис. 2.32) принимают: диаметр фланца
Dф=0,35D; толщина фланца δф=0,35D; длина корпуса подшипника
 k  d k  0,2 D; диаметр окружности, на которой размещают отверстия для болтов крепления диска к фланцу, d=0,3D.
Для расчета параметров поперечного сечения стойки корпуса плуга и
диаметра оси сферического диска, используя для этого известные методы, необходимо знать сопротивление дискового корпуса, которое определяют по
формуле
Rx  K 0 F1 ,
(2.77)
где
K0 – удельное сопротивление почвы;
F – площадь поперечного сечения борозды, образуемой корпусом,
 D 2

2a   D
2a  
arccos1 
 


4

180
D
cos

2
D
cos





Rx  
sin  cos  . (2.78)


a 
a 


D 
cos  
 cos  

Рассчитывают поперечную Ry и вертикальную Rz составляющие полного
155
сопротивления корпуса из соотношений Ry/Rx и Rz/Rx (табл. 2.5).
Таблица 2.5
Значения соотношений Ry/Rx и Rz/Rx при разных углах α и β
Угол атаки α
αmin=35°
αmах = 45°
Угол наклона β
15°
30°
15°
30°
Ry/Rx
0,9
0,76
0,66
0,55
Rz/Rx
0,06
0,13
0,13
0,10
По выбранным соотношениям Ry/Rx и Rz/Rx находят величины Ry и Rz.
При работе на вырубках величину сил Rx, Ry и Rz увеличивают в 1,5…1,6 раза.
ЛАПОВЫЕ КУЛЬТИВАТОРЫ
2.15 Назначение и классификация
Лаповые культиваторы применяют для рыхления почвы и уничтожения
сорняков при предпосевной и предпосадочной обработке почвы, уходе за парами, лесными культурами и защитными лесными насаждениями.
В зависимости от глубины обработки культиваторы для сплошной обработки почвы подразделяют на паровые (полевые) и культиваторы-рыхлители.
Глубина хода лап паровых культиваторов равна 6…15 см, а культиватороврыхлителей до 25 см. Из культиваторов для сплошной обработки почвы наибольшее распространение получили прицепной и навесной гидрофицированный культиваторы КПГ-4 и КПН-4Г, а в последние годы КПС-4.
Культиваторы для междурядной обработки почвы носят название пропашные и лесные (КЛ-2,6, КУН-4). Пропашные культиваторы, как правило, оснащены различными приспособлениями. Лесной культиватор КУН-4 оснащен
сменными ротационными рабочими органами с наклонной осью вращения и автоматически управляемыми выдвижными секциями для ухода в защитных зонах рядков культур разной высоты.
По способу соединения с трактором различают навесные и прицепные
культиваторы. Кроме того, культиваторы классифицируют по способу крепления к раме рабочих органов (жесткий или шарнирный) и наличию предо-
156
хранителей.
2.16 Рабочие органы культиваторов
Рабочие органы культиваторов должны рыхлить почву, уничтожать сорняки (вырыванием или подрезанием) и перемешивать частицы почвы. На современных культиваторах применяют стандартные рабочие органы, в том числе
(рис. 2.38): плоскорежущие односторонние (а); плоскорежущие стрельчатые без
хвостовиков; плоскорежущие стрельчатые с хвостовиками (б); универсальные
стрельчатые без хвостовиков; универсальные стрельчатые с хвостовиками;
рыхлительные копьевидные (в); рыхлительные долотообразные (г).
Рис. 2.38. Лапы культиваторов
Лапы плоскорежущие односторонние и плоскорежущие с хвостовиком и
без него предназначены для подрезания сорняков на глубине 6 см, они характеризуются малым углом крошения (β=10…15°) и применяются на пропашных
культиваторах, когда нельзя смещать и переворачивать почву. Наличие у односторонней лапы вертикального щитка позволяет работать с малыми защитными
зонами.
Лапы плоскорежущие стрельчатые с хвостовиками применяют для обработки почв, подверженных ветровой эрозии, и в междурядьях лесных культур и
защитных лесных насаждений. Универсальные лапы предназначены для подрезания сорняков с одновременным рыхлением почвы и имеют угол крошения
более 20°, широко используются в культиваторах-рыхлителях, в том числе и
157
лесных (КРТ-3). Рыхлительные оборотные применяют для обработки почвы на
глубину 22…25 см; рыхлительные копьевидные на пружинных стойках – для
сплошной обработки почвы, вычесывания корневищных сорняков и предпосадочного рыхления на глубину 10…12 см; рыхлительные долотообразные – для
междурядного рыхления почвы на глубину до 16 см.
Для крепления рабочих органов применяют стойки двух типов: пружинные (упругие) и жесткие. Первый тип используют в основном для крепления рыхлительных лап. Упругие стойки уменьшают возможность забивания
культиватора сорняками, так как колебания стойки, обусловленные непостоянством сопротивления почвы, способствуют самоочищению стойки от
сорняков. Однако глубина хода лап менее устойчива, чем при работе на жесткой стойке.
2.17 Способы крепления рабочих органов к раме
У паровых и лесных культиваторов с шириной захвата до 2…2,5 м применяют жесткое, а у культиваторов большей ширины захвата – шарнирное крепление рабочих органов к раме. У культиваторов-рыхлителей – жесткое, а при
наличии препятствий в почве (например, камни) – с возможностью поворота на
оси в продольно-вертикальной плоскости.
Жесткое крепление лап способствует лучшему подрезанию сорняков и
получению ровного дна борозды, однако, оно не позволяет копировать микрорельеф поля. Шарнирное (индивидуально-поводковое) крепление лап обеспечивает несколько лучшее приспособление их к рельефу поля и уменьшает возможность забивания культиватора сорняками, так как вертикальные перемещения поводков (подобные перемещения клавишей) осуществляют встряхивание
вороха сорняков, зависающего на смежных стойках. Однако упругие деформации длинных поводков, люфты в шарнирах и неодинаковая глубина хода лап
первого и второго ряда приводят к необходимости значительного увеличения
перекрытия между лапами для получения достаточно полного подрезания сорняков.
Индивидуально-поводковая система лап паровых и лесных междурядных
культиваторов предотвращает лишь чрезмерное заглубление лапы в почву, но
не обеспечивает приспособления к рельефу поля.
158
2.18 Проектирование стрельчатых лап
Исходными данными являются ширина В захвата лапы, угол 2γ раствора
лезвия, угол лезвия, угол крошения β, угол i заточки лезвия, ширина полок лапы b1 и b2, толщина материала δ и радиус закругления в местах перегиба (рис.
2.39).
Для построения проекций и развертки лапы необходимо найти угол α,
образуемый линией AK  с опорной плоскостью. Его определяют графически
или из выражения
K C 
tg 
.
AK 
Рис. 2.39. Проекции лапы
Так как
K C   b1 sin  и AC   b1
cos 
,
sin 
можно записать
tg  tg sin  ,
(2.79)
при этом
sin 
.
(2.80)
sin 
Для построения развертки лапы необходимо определить значение угла
раствора крыльев заготовки 2γ0. Угол γ проектируется в натуральную величину
AK     b1
159
γ0 при совмещении плоскости крыла лапы с горизонтальной плоскостью проекций. Это достигается поворотом крыла вокруг линии лезвия AF на угол β (рис.
2.40). По рисунку находим:
BD b
BD b1 cos 
tg 0  1  1 и tg 

,
AD AD
AD
AD
откуда
tg
(2.81)
tg 0 
.
cos
Линия обреза крыла FG параллельна осевой линии АВ и после совмещения крыла лапы с горизонтальной плоскостью проекций, то есть АВ1 || FG1.
Рис. 2.40. Графический способ определения угла γ0
Развертку лапы без учета скругления в перегибе и толщины материала
строят следующим образом. Из точки А (рис. 2.41) проводят осевую линию, на
которой, отложив отрезок, равный ℓ получают точку K. Из точки А проводят по
обе стороны линии грани угла 2γ0. Положение точки D определяется размером
sin 0
B0  B
.
sin
Рис. 2.41. Развертка стрельчатой лапы
160
Из точки D на перпендикуляре к линии AD откладывают заданную ширину полки b2 и получают точку Е. Через точки K и Е проводят линию заднего
контура лапы. Пересечение линии, проведенной из точки D параллельно АK,
дают точку С заднего конца полки лапы.
Построение проекций лапы с учетом толщины материала и радиуса
скругления выполняют следующим образом (рис. 2.42): через точку B перпендикулярно линии AB проводят сечение рабочей поверхности и строят, откладывая толщину δ, заднюю нерабочую поверхность лапы, а также скругляют радиусом r вершину угла 2θ. Затем вносят соответствующие поправки в обе проекции лапы.
Рис. 2.42. Графическое определение длины скругленного участка груди лапы
Неточность размера В0 при построении развертки лапы без учета толщины S и радиуса r выражается размерностью длины s дуги abc и суммарной длины двух отрезков е:
  2e - s.
(2.82)
Длина дуги s равна
 
2  r - 
2
s 
180-2   2  r    90 -  ,
360
2  180

(2.83)
а длина отрезка е
e  r  ctg ,
где
ctg 
h
.
2
Но h   1 sin  и  2   1tg , поэтому
(2.84)
161
ctg 
sin 
.
tg
(2.85)
Определение угла θ необходимо также для изготовления соответствующих шаблонов и штампов.
Подставляя (2.83) и (2.84) в уравнение (2.82), получим
  90   


  2 r  ctg    r  
.
(2.86)
2  180 


При построении развертки лапы размер b следует уменьшить на вычисленное значение А. Тогда истинная величина
sin  0
  90   


 2 r  ctg 0    r  
.
(2.87)
sin 
2  180 


Острые углы развертки в точках А и В скругляют соответствующими радиусами.
Используя указанный метод, проектируют стрельчатые лапы с хвостовиком и односторонние полольные лапы. Для проектирования универсальных стрельчатых лап должны быть заданы такие же параметры, как и при
проектировании плоскорежущих лап.
b0  b
2.19 Определение основных параметров культиваторов
Ширину захвата культиваторов для сплошной обработки почвы определяют по формуле
Pт
(2.88)
,
q
где η – коэффициент использования тягового усилия трактора, η=0,8…0,95;
Pт – тяговое усилие трактора;
q – удельное сопротивление почвы на 1 м ширины захвата, которое зависит от типа и состояния почвы, глубины обработки и равна:
Глубина обработки почвы а, см
6
8
10
12
Удельное сопротивление, Н/м 800…1000 900…1300 1100…1700 1500… 2400
B
Ширина захвата культиваторов для междурядной обработки должна
быть согласована с шириной междурядий лесных культур и защитных лесных
162
насаждений:
B  Bм  2c,
(2.89)
Вм – ширина междурядий;
с – ширина защитной зоны с одной стороны рядка культур.
Для обеспечения полного подрезания сорняков и предотвращения забивания применяют двухрядную расстановку рабочих органов. В культиваторах для сплошной обработки почвы рыхлительные лапы на пружинных стойках
обычно расставляют в три ряда (расстояние между рядами 350 мм), а при жестком креплении в два ряда, с расстоянием между рядами около 500 мм; у культиваторов-рыхлителей 650 мм. На пропашных культиваторах полольные лапы
устанавливают в два и три ряда. Стрельчатые лапы рекомендуется размещать
впереди односторонних для получения более равномерной глубины обработки
и ровной поверхности.
Оптимальное расстояние между лапами (рис. 2.43) по ходу
L  b/tg90 -    ,
где
где
γ – половина угла раствора лапы;
  – угол трения почвы о металл,   =25°.
Рис. 2.43. Схема расстановки полольных лап культиватора
Перекрытие с между полольными лапами выбирают из условия обеспечения полного подрезания сорняков:
c  Ltg ,
δ – угол случайного отклонения культиватора от прямой линии, δ=7…9°.
Бóльшие перекрытия устанавливают при креплении рабочих органов на
длинных индивидуальных поводках. Узкорыхлительные лапы расставляют с
где
163
недокрытием, так как ширина разрыхленного лапой слоя больше ее ширины захвата.
Расстояние между рыхлительными лапами в ряду, при котором обеспечивается сплошное рыхление почвы,
Lp  bp  2a  tg/2  / cos   ,
(2.90)
где
bp – ширина захвата рыхлительной лапы;
α – наибольшая глубина обработки;
ω – угол конической поверхности зоны деформации, ω=50°;
α – угол входа рабочего органа в почву.
Число рабочих органов в культиваторе
B  C  ,
z
b  c 
b – ширина захвата лапы.
Минимальная ширина захвата полольных (стрельчатых и односторонних)
лап должна быть bmin>3 с. При меньших значениях ширины захвата лап возможно забивание культиватора почвой и растительностью из-за большого количества стоек. Максимальную ширину захвата стрельчатых лап принимают не
более 400 мм, а односторонних (бритв) – 200 мм. Лапы большего захвата становятся недостаточно жесткими, образуют неровное дно борозды и неудовлетворительно заглубляются.
Рыхлительные лапы изготовляют из полосовой стали. Ширина лап у полевых культиваторов 45…50 мм, а у культиваторов-рыхлителей около 60 мм.
Лапа имеет выгиб радиусом R=220…260 мм, реже выгиб делают двумя сопряженными радиусами. У лап, работающих на упругой стойке, поперечное сечение плоское, а у работающих на жесткой стойке – желобчатое. Оба конца лапы
заострены; угол раствора лезвия 2γ=60…80°, лезвие лап оттягивают под углом
i≈25°. Крепят лапу на стойке двумя болтами с потайными головками. После износа одного конца лапы ее поворачивают на 180°. Поэтому такие лапы называют оборотными.
Радиус кривизны лап, установленных на жесткой стойке, целесообразно
унифицировать с радиусом кривизны хвостика стрельчатых лап. Это позволит
использовать одни стойки для работы, как с полольными, так и рыхлительными
лапами.
Угол α, образуемый носом рыхлительной лапы с дном борозды, у лап на
где
164
жесткой стойке приблизительно равен 40°, а на упругой (без нагрузки) 25…30°.
Нагрузки, воспринимаемые лапами культиватора первого ряда примерно
в два раза больше нагрузок, приходящихся на лапы второго ряда, так как лапы
первого ряда воздействуют на еще недеформированную почву. Следовательно,
во втором ряду лапы должны иметь большую ширину захвата. Например, у находящихся в производстве полевых и лесных культиваторов ширина захвата
лап первого ряда равна 270 мм, второго ряда 330 мм.
2.20 Построение кинематических и компоновочных схем
По исходным данным и принятому расположению рабочих органов можно построить кинематическую и компоновочную схемы культиваторов. При
этом в зависимости от назначения орудия определяют способ крепления рабочих органов к раме, взаимное расположение рабочих органов и механизмов,
способ присоединения к трактору, а также размеры кинематических звеньев
механизмов.
Построение схем прицепных симметричных культиваторов начинают с
установления расстояния L от носков лап передних рабочих органов до точки
присоединения машины к трактору и высоты Н от точки прицепа до лезвия рабочих органов (рис. 2.44). От параметров L и Н, а также от величины и значения
равнодействующей сил сопротивления Р зависят устойчивость хода и заглубление рабочих органов.
Рис. 2.44. Схема прицепного культиватора
165
Значения L и Н надо подобрать так, чтобы при минимальном значении
угла ψ наклона вектора силы Р к горизонту образовывался положительный
(минимальный) момент относительно точки прицепа, то есть
M min  P  0.
(2.91)
Угол ψ наклона равнодействующей для стрельчатых лап должен быть равен 15…25°, а для рабочих органов рыхлителей 10…20°. Значения углов ψ для
рабочих органов рыхлителей 10…20°. Значения углов ψ для переднего и заднего рядов рабочих органов можно принимать одинаковыми.
Расстояние h от точки пересечения равнодействующей с грудью стрельчатой лапы до лезвия составляет 0,2а, а для рабочих органов рыхлителей и глубокорыхлителей-плоскорезов – 0,4а.
Для выполнения условия (2.91) целесообразно, чтобы значение L было
небольшим, а Н – наименьшим.
Однако величина L обусловливается устойчивостью рабочих органов в
продольно-вертикальной плоскости, а Н – проходимостью, поэтому при жестком креплении рабочих органов рекомендуется принимать Н – 500…600 мм,
L≥2H.
При одношарнирном индивидуально-поводковом креплении рабочих органов (рис. 2.45) устойчивость машины определяется зависимостью
M min  Pп  п  Pз  з  0,
где
Pп и Pз – равнодействующие сил сопротивления передних и задних рабочих органов, ℓп и ℓз плечи сил Рп и Рз.
При этом рекомендуется принимать Н≈L=500…600 мм.
Рис. 2.45. Схема одношарнирного индивидуально-поводкового крепления
рабочих органов к раме
Для создания устойчивости в горизонтальной плоскости пропашных
166
культиваторов значение L устанавливают в зависимости от ширины захвата В:
B/L=1,3…1,5
При установлении условия заглубляемости во всех случаях следует выбирать минимальные значения ψ, соответствующие неблагоприятным условиям
для заглубления рабочих органов.
После определения основных параметров, обеспечивающих устойчивость
и заглубляемость рабочих органов, строят кинематическую схему подъемного
механизма, предназначенного для перевода культиватора из рабочего положения в транспортное и обратно.
Колеса относительно лап следует располагать так, чтобы в рабочем положении они перемещались вне зоны деформации почвы и был обеспечен свободный проход взрыхленного почвенного слоя. Это возможно при выполнении
условия
b  2a  tg       a,
где
b – расстояние от оси колес до носков лап передних рабочих органов;
  – угол подъема лап;
  – угол трения почвы о металл,   =25°;
Δа – величина, учитывающая вдавливание колеса в почву, Δа=6…10 см.
Для лучшего копирования поверхности поля культиватором по ширине
захвата опорные колеса в горизонтальной плоскости располагают на расстоянии 50…100 мм от крайних рабочих органов и устанавливают так, чтобы
рабочие органы рыхлили их след. Длина колена оси колес
D 


 H  H п   а  2 

 ,
L0  
cos 1
где
где
Нп – высота подшипника;
а – наибольшая глубина обработки почвы;
D – диаметр колеса;
β1 – угол, образуемый осью с вертикалью в рабочем положении (не более
85°). Высота подшипника равна:
m  d 0   15...20 мм,
Hп 
2
m – высота профиля рамы;
d0 – диаметр оси.
167
После определения длины колена оси необходимо величину угла β2 между осью и вертикалью в транспортном положении. Для предотвращения подкатывания оси при транспортировании орудия принимают β2≥22° или находят из
выражения
cos  1  cos  2  ,
L0  1
cos  2  cos 1 
ℓ1, γ1, γ2 – параметры, характеризующие положение подшипника относительно оси поворота; их устанавливают конструктивно.
После преобразований формула для нахождения угла β2 наклона оси
культиватора при переводе его из рабочего положения в транспортное имеет
вид
где
где
 H  h1  


H
,
 2  1  arccos
 arccos
(2.92)

2
2
2
2 
 H L 
 H L 
h1 – полное перемещение рабочего органа по вертикали, h1  a  a1  hт
(здесь a1=12…15 см – запас хода на копирование рельефа; hт=200 мм – транспортный просвет). Если по формуле (2.92) получается β2<22°, то необходимо
изменить положение подшипников на раме.
Схему гидропривода строят по параметрам выносных гидроцилиндров
тракторов. Их определяют по максимальной силе, развиваемой гидроцилиндром. Схему лучше строить графически.
Длина кулака
 k  n   ц cos   / sin  ,
n – расстояние от точки крепления цилиндра до вала подъема;
ℓц – длина цилиндра в сжатом состоянии;
ω – угол между осью цилиндра и горизонтальной осью;
δ – угол между кулаком и вертикальной осью.
Построение схем навесных симметричных культиваторов. Навесное
устройство на тракторе устанавливают по трехточечной схеме. Положение присоединительных точек определяют из условия обеспечения устойчивости хода
рабочих органов по глубине при работе на наиболее плотных почвах, то есть
M min  P  0,
где
где
Mmin – наименьший заглубляющий момент, обеспечивающий нормальную
работу культиватора на плотных почвах;
Р - равнодействующая всех действующих сил;
168
ℓ - расстояние от мгновенного центра навесного устройства трактора до
вектора силы Р.
Опорные колеса располагают под рамой или впереди рамы. При размещении колес впереди рамы культиватора не следует чрезмерно удалять их от
рабочих органов, так как это отрицательно сказывается на равномерности глубины хода лап, особенно второго ряда. Ширина колеи культиватора должна
быть равна 0,6…0,7 ширины захвата его, что обеспечивает меньшие отклонения
в глубине хода средних лап, чем при более широкой расстановке колес.
2.21 Определение усилий в звеньях навесных культиваторов
На культиватор (рис. 2.46) действуют силы: Rzx – равнодействующая сил
сопротивления рабочих органов; Gм – вес машины; Q – реакция почвы на колесо.
Усилия в звеньях навесных культиваторов определяют аналитическим,
графоаналитическим или графическим способом, по аналогии с плугами. Рассмотрим графический способ.
Построение силового многоугольника начинают с геометрического в определенном масштабе сложения сил Gм и Rzx. Затем на схеме машины через
точку пересечения направления сил Rzx и Gм проводят прямую, параллельную
силе R1 – равнодействующей сил Rzx и Gм и точку пересечения этой прямой с
направлением силы Q соединяют с полюсом π мгновенного центра вращения
навесной системы. Эта линия определяет направление равнодействующей сил Р.
Рис. 2.46. Расчетная схема навесного культиватора
Значения сил Р и Q находят на многоугольнике сил разложением силы R1
169
на составляющие, параллельные направлению сил Q и Р. Аналогичным образом
определяют усилия в нижних тягах Nн и усилие в верхней тяге Nb гидравлической навески трактора.
Если полюс π находится вне чертежа, то для сил Р и Q строят план скоростей с полюсом в точке О присоединения нижних тяг к трактору. Из плана скоростей получают
R   Gм 2
Q  zx 1
,
3
ℓ1, ℓ2, ℓ3 – плечи действия соответствующих сил на плане скоростей.
Зная величину силы Q, из многоугольника сил указанным выше способом
определяют силы, Р, Nн и Nb.
где
2.22 Расчет рабочих органов на прочность
Наиболее нагруженной деталью являются стойки, подвергающиеся изгибу. Действующее на рабочий орган усилие Rzx при расчете сечения стоек следует удвоить из-за неравномерности нагрузок, приложенных к переднему и заднему рядам. Принято считать сопротивление лап первого ряда при равной ширине с лапами второго ряда больше в два раза, то есть Rxп  2R зx . Отсюда
где
где
4
4
Rxп  Rx  qb,
3
3
4
4
Rxз  Rx  qb,
3
3
Rx – полное тяговое сопротивление рабочего органа.
Изгибающий момент в опасном сечении A-A (рис. 2.47) равен
M и  2 Rzx H ,
Rzx  Rx /cos  qB/  z  cos ;
φ=10° – угол наклона равнодействующей к горизонту;
q – сопротивление, приходящееся на 1 м ширины захвата;
В – ширина захвата культиватора;
z – число рабочих органов.
Подставляя значение Rzx в формулу (2.93), получим
2qBH 
Mи 
.
z  cos
(2.93)
170
Приближенно изгибающий момент можно определить по выражению
2qBH
M и  2 Rx H 
,
(2.94)
z
где Н – плечо силы Rx, приложенной к носку лапы.
При случайных поворотах агрегата с заглубленными рабочими органами
в стойках возникают напряжения от кручения и изгиба. Они достигают значительных величин у культиваторов с широкозахватными полольными лапами и
плоскорезов, поэтому их надо учитывать при расчете стоек на прочность.
Рис. 2.47. Схема для расчета сил, действующих на лапу со стойкой
Максимальное напряжение возникает при нагрузке, приложенной на конце лезвия или у носка, в зависимости от расположения стойки относительно лапы.
Крутящий момент равен
M кр  P  d.
Максимальные изгибающие моменты от составляющих силы Р, перенесенной в центр тяжести сечения стойки,
M иx  PHsin ; M иy  PHcos .
Приведенные моменты определяют по формулам:
2
2
M пр x  M кр
M иx
 P d 2  H 2 (sin  )2 ,
2
2
M пр y  M кр
M иy
 P d 2  H 2 (cos  )2 .
Сечение стойки устанавливают по максимальному значению приве-
171
денного момента.
ФРЕЗЕРНЫЕ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ МАШИНЫ
2.23 Назначение и классификация
По своему назначению почвообрабатывающие фрезы подразделяются на
болотные, лесные, полевые, садовые и пропашные.
Болотные фрезы применяют при освоении закустаренных и заболоченных
полей. За один-два прохода они измельчают осоковые кочки, подготавливая
почвы под посев без применения других орудий.
Лесные фрезы применяют для полосной обработки почвы, измельчения
пней и корней, а также для разделки пластов после прохода плуга без отвалов
на нераскорчеванных вырубках.
Садовые фрезы используют для обработки почвы под кронами деревьев,
в приствольных кругах и в междурядьях.
Полевые фрезы применяют для разделки пластов после пахоты или одновременно с пахотой лемешными плугами, глубокой предпосевной обработки
почвы под посев семян овощных, лесных и других культур, для ухода за лесными культурами на вырубках, обработки пересушенных и переувлажненных
почв.
При междурядной обработке пропашные фрезы дают высокое качество
крошения почвы и уничтожения сорняков. Особенно эффективно междурядное
фрезерование в лесных культурах на тяжелых суглинистых и торфяных почвах,
свободных от многолетних корнеотпрысков сорняков.
Фрезерование положительно влияет на физические свойства почвы, водный и питательный режим растений. Перемешивание слоев почвы повышает
биологическую активность всего обрабатываемого горизонта.
Недостатками фрез являются неполная заделка растительных остатков,
большая энергоемкость, малая производительность и излишне интенсивное
крошение почвы. Однако в сочетании с пассивными органами, например, с
корпусами плугов недостатки фрез не проявляются, а технологический процесс
обработки почвы выполняется на качественно новом уровне.
Почвообрабатывающие машины с ротационными рабочими органами по
172
расположению оси вращения делят на машины с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Ось вращения машин первой группы может быть установлена перпендикулярно, вдоль и наклонно к направлению движения.
Преимущественное распространение получили машины с горизонтальной
осью вращения, расположенной перпендикулярно к направлению движения. В
зависимости от направления вращения барабана различают машины с прямым
и обратным вращением. В первом случае направление вращения рабочих органов совпадает с направлением вращения ведущих колес трактора, а во втором
вращение рабочих органов противоположно.
Значительно реже применяют машины с вертикальной осью вращения.
Поэтому проектирование и расчет рассмотрим на примере машины с горизонтальной осью вращения рабочих органов.
2.24 Рабочие органы
На фрезах устанавливают рабочие органы в виде ножей, называемых болотными, полевых крючков, винтов или шнеков (рис. 2.48).
Режущие ножи бывают плоские и с отогнутым концом; их применяют для
обработки почв с большим содержанием органических веществ – волокнистых,
задернелых, торфянистых и т.п. Плоские ножи используют, если нет необходимости в хорошем и полном крошении почвы, например, при освежении лугов.
Более широко применяют ножи с отогнутым концом (рис. 2.48.а). Конец ножа
бывает отогнут в правую или левую сторону от плоскости вращения ножа на
угол 45° или больший.
Лезвие ножа при закреплении его на секции должно быть отклонено от
радиуса назад, то есть в сторону, противоположную направлению вращения, на
угол γ, чем создаются условия для скольжения растительных остатков по лезвию и оно самоочищается. В среднем γ=30°. Для лесных фрез, работающих в
тяжелых условиях, рекомендуется брать γ=20°. Общую длину ножа определяют
по выражению
a
(2.94)
Lн  max  Lн ,
cos 
где
аmах – максимальная глубина фрезерования;
ΔLн – длина части ножа, находящейся над поверхностью почвы при мак-
173
симальном заглублении, ΔLн=6…10 см.
а – режущие ножи и их параметры; б – рыхлящие органы (полевые крючки)
Рис. 2.48. Рабочие органы почвообрабатывающих фрез
В сечении нож имеет прямоугольную форму с заострением. Толщина сечения δ=8…10 мм. Ширину ножа определяют из условий прочности расчетным
путем. Угол заострения i лезвия выбирают возможно меньшим. Для лесных
фрез i=20°. Заточка может быть одно- и двусторонней. Лучше последняя, но
она возможна при материале повышенной прочности.
Расстояние В между секциями рабочих органов на барабане равно примерно ширине отделяемого пласта (стружки). В изогнутых ножах длину изгиба
Bb
ℓизг определяют из отношения  изг 
, где b – свободный промежуток меж2
ду концами ножей соседних секций, необходимый для уменьшения забиваемости (b=2…4 см); B – ширина захвата двух смежных ножей.
Рыхлящие рабочие органы (полевые крючки) предназначены для обработки минеральных мало связных почв. Угол резания σ крючка (рис. 2.48.б)
складывается из угла заострения i и заднего угла ε, берется в пределах 25…55°.
При таком угле σ обеспечивается самоочищение рабочего органа.
174
Конец полевого крючка делают шире стойки в виде лопатки (лапы) с конусообразным концом. Ширина лапы зависит от ширины стружки bс. Исследованиями установлено, что bc  (4...5)bл . В существующих конструкциях крючков bc=12…16 см. Следовательно, bл=3…4 см. Ширина стойки определяется
расчетом на прочность. Длину крючка ℓкр, измеряемую по радиусу от конца его,
определяют по формуле  кр  amax  а, где Δa=6…10 см. Количество крючков
по окружности секции z=6…12.
Винтовые или шнековые рабочие органы в процессе работы отделяют
стружку в виде ленты, рыхлят почву и смещают ее в сторону вдоль оси вращения. Барабан фрезы имеет форму двустороннего винта, как это выполнено в
фрезе лесной шнековой ФЛШ-1,3, который образует по средней линии обрабатываемой полосы микроповышение из разрыхленной почвы. Достоинство винтовой фрезы еще в том, что при обработке почв на вырубках барабан свободно
перекатывается через пни и толстые корни, а также просто по своей конструкции.
Крепление рабочих органов к ведущему валу может быть жестким, упругим и фрикционным. Жесткое соединение используется в винтовых фрезах.
Фрикционный способ наиболее рационален и используется в конструкциях
отечественных фрез, в том числе в фрезе лесной ФЛУ-0,8.
2.25 Кинематические параметры технологического процесса
Рабочие органы фрезбарабана совершают вращательное движение со
скоростью Vокр и поступательное со скоростью движения агрегата Vаг. В результате описывают траекторию, которая представляет собой циклоиду. Уравнения
в параметрической форме ее имеют вид:
x  Vаг  t  R sin t;
(2.95)
y  R1  cos t ;
где
ωt=α – угол поворота рабочего органа;
t – время поворота рабочего органа на угол α;
ω – угловая скорость барабана;
Vаг – скорость поступательного движения машины;
R – радиус барабана;
Знак (+) относится к прямому, а (–) - к обратному вращениям.
(2.96)
175
Подставив в уравнения (2.95) и (2.96) отношение  
Vокр
Vаг
, называемое
кинематическим параметром ротационной машины, и Vокр=Rω, получим


x  R  sin  ;


y  R1  cos  .
где
(2.97)
(2.98)
R – радиус барабана;
α – угол поворота рабочего органа;
λ – кинематический параметр, равный отношению
V
  окр .
Vаг
Уравнения (2.97) и (2.98) показывают, что на изменение формы циклоиды
V
оказывает влияние только отношение   окр . При λ<1 траектория представVаг
ляет собой укороченную циклоиду, не имеющую петли. Как правило, в ротационных почвообрабатывающих машинах λ>1, поэтому абсолютная траектория
движения вращающихся органов будет представлять удлиненную циклоиду.
Скорость резания определяется по формуле
Vp  Vаг 2  2 sin   1,
(2.99)
из которой следует, что скорость резания почвы переменная и изменяется в зависимости от угла поворота ножа в относительном движении.
Рассмотрим процесс резания почвы двумя смежными рабочими органами,
вращающимися в одной вертикальной плоскости (рис. 2.49) с целью определения подачи на нож. Траектория одного ножа 1 смещена относительно соседнего
с ним ножа 2 по горизонтали на некоторую величину S, называемую подачей на
нож, S=Vаг∙t, где t – время, в течение которого нож поворачивается на угол, равный углу между соседними ножами.
При числе ножей z в одной плоскости диска барабана угол между сосед2
2
ними ножами равен
. Тогда время t 
, а подача
z
z
2Vаг
2R
S
или S 
.
(2.100)
z
z
Анализ выражения (2.100) показывает, что подача на нож – величина по-
176
стоянная и зависит от радиуса барабана R, числа ножей по окружности диска и
кинематического параметра.
Рис. 2.49. Схема для определения подачи на нож S и высоты гребня hгр
Величина подачи на нож является одним из основных технологических
параметров ротационных почвообрабатывающих машин, определяющих степень крошения. Пропашные, болотные и лесные фрезы работают с подачами
3…6 см, полевые фрезы – до 10…15 см.
При работе фрез на дне борозды остаются гребни, так как петли соседних
циклоид концов ножей пересекаются на некоторой высоте от уровня нижних
точек циклоид. Гребнистое дно борозды нежелательно. Поэтому при проектировании фрезы необходимо выбрать такие параметры, которые обеспечили бы
минимальную высоту гребней (рис. 2.50).
Рис. 2.50. Схема для определения параметров траектории движения ножей фрезы
Из уравнения y  R1  cos t ; находим высоту гребней:
y  hг  R1  cos  .
Вторая координата вершины гребня x 
(2.101)
S
. Подставив это значение в
2
177
уравнение
x  Vагt  R sin t ,
заменив t   h г и t 
 hг
,

получим
h
S
 Vаг г  R sin  h г .
2

Для малых значений углов можно с небольшой погрешностью принять
sin  h г   h г .
Тогда
h
S
 Vаг г  R h г ,
2

откуда
 hг 
S
.
 Vаг

2
 R


V
Подставив в последнюю формулу   окр , имеем
R
S
S
 hг 

,
 Vаг
 2 R  1
2 R
 1
 Vокр



а подставив найденное значение  h г в выражение (2.101), определим высоту
гребней:

S

hг  R 1 - cos
(2.102)
.
2
r



1



На практике высота гребней может быть меньше расчетной за счет скола
почвы: для среднего суглинка – в 2 раза; для переувлажненного легкого суглинка – в 1,5 раза.
В процессе резания толщина стружки непрерывно уменьшается от максимальной величины на уровне поверхности почвы до нуля на дне борозды.
Толщину стружки необходимо знать при расчетах усилия резания ножами.
Толщину стружки с достаточной точностью можно определить из треугольника АВС (рис. 2.51):
178
S   S sin  ,
где
S – подача на один нож фрезы;
S  – толщина стружки в исследуемом положении ножа.
Рис. 2.51. Схема для определения сечения стружки
Тогда площадь сечения стружки
F  bS sin  ,
b – ширина захвата одного ножа, или расстояние между соседними ножами вдоль вала фрезы.
Ввиду того, что в работе одновременно принимают участие несколько
ножей, находящихся под различными углами, суммарное сечение
стружки, снимаемой фрезой:
где
i
Fсум  bS  i sin  i ,
1
где
где
где
i – количество одновременно работающих ножей.
В среднем за цикл количество одновременно работающих ножей
z
i  k
,
360
αk – угол контакта фрезы с почвой;
z – число ножей на одном диске (правых и левых).
Угол контакта фрезы с почвой
 a
 k  arccos1  ,
 R
а – глубина фрезерования.
179
2.26 Усилия, действующие на нож фрезы
В процессе работы на нож фрезы действует усилие, возникающее от сопротивления почвы резанию. Величина его зависит от состояния почвы, формы
ножей, скорости резания и других факторов, не позволяющих вывести точную
математическую зависимость.
Усилие резания можно представить в виде двух составляющих:
Pi  Pл  P ,
(2.103)
где
Рл – сопротивление резанию стружки по лобовой (загнутой части ножа);
Рσ – сопротивление резанию по боковому лезвию ножа.
Сопротивления Рл и Рσ равны:
Pл  p  sb;
P  k s ,
где
k  – удельное сопротивление резанию плоским ножом;
Рσ – удельное сопротивление почвы;
s – толщина стружки;
δ – толщина ножа.
После подстановки значений Рл и Рσ в (2.103) получим:
Pi  s pb  k  sin  .
(2.104)
2.27 Расчет мощности при работе фрезы
При работе фрезы с горизонтальной осью вращения потребная суммарная
мощность составляет:
N  N ф  N 0  N ф  N 0 1 -    N п ,
(2.105)
где
Nф, N0, Nп – мощности, затрагиваемые на фрезерование, отбрасывание
почвы и передвижение фрезы соответственно;
η – КПД передачи от трактора к фрезе.
Мощность (Вт), затрагиваемая на фрезерование, равна
Аnz  736
Nф 
,
(2.106)
60  75
dx
где
А – работа одного ножа, A   Pi  d;
0
n – частота вращения фрезы m-1;
180
z – число ножей фрезы;
Pi – сопротивление резанию одного ножа, определяемое по уравнению
(2.103);
dℓ – элемент пути ножа
d  dx 2  dy 2 ,
(2.107)
где
dx  Vаг  R cos t dt ;
dy  R sin t dt.
Подставив значения dx и dy в (2.107) и выполнив преобразования, найдем
d 
R 2  Vаг2  2Vаг cos t dt
Сделаем замены: Vокр  R;   t; тогда t 
(2.108)
R
R
; dt 
d . После
Vокр
Vокр
этой замены предыдущее уравнение примет вид
R
2
d 
Vокр
 Vаг2  2VокрVаг cos  d .
Vокр
(2.109)
Выразим работу одного ножа фрезы, подставив в уравнение работы значения Pi и dℓ.
A  s  pb  k  
R k 2
Vокр  Vаг2  VокрVаг cos  sin  d .

Vокр 0
С некоторыми допущениями, приемлемыми для практических расчетов,
значение А можно определить по упрощенной формуле
V  Vаг
A   pb  k    sR окр
1  cos .
(2.110)
Vаг
После подстановки R(l–cosα)=а (где а – глубина фрезерования) формула
(2.110) примет вид
V  Vаг
A   pb  k    sa окр
.
(2.111)
Vаг
Подставив это значение А в уравнение (2.106), найдем мощность
Nф 
Vокр  Vаг  pb  k  sanz
736.
Vокр
60  75
(2.112)
Мощность, затрачиваемая на отбрасывание почвы, определяется по формуле
181
N0 
где
где
2
k0 BzsaVокр
2  75 g
 736,
(2.113)
k0 – коэффициент, зависящий от формы рабочих органов (k0=0,85…1,0;
меньшее значение принимают для полевых крючков, большее – для загнутых ножей);
γ – объемный вес почвы;
В – ширина фрезы.
Мощность, затрачиваемая на передвижение фрезы,
736
N п  Vаг  Px
,
(2.114)
75
±Px – горизонтальная составляющая суммарного тягового сопротивления
фрезы, которую можно определить графически (рис. 2.52).
Рис. 2.52. Схема сил, действующих на фрезу
На схему фрезы в боковой проекции наносят силу G от действия веса,
проходящую через центр тяжести, и силу сопротивления резанию Rн, равную
P Z
Rн  i i ,
cos 1
где
Zi – число ножей, одновременно находящихся в почве.
Точка приложения силы Rн находится на половине глубины обработки
почвы. Наклон силы Rн определяется углом α+ψ1. Рекомендуют принимать
α=42° и ψ1=15° для острых ножей на влажных почвах; ψ1=0 – для тупых ножей
на сухих почвах.
Суммируя графически силы G и Rн, находят силу RG, которую раскладывают на две составляющие: Р и Qk. Сила Qk наклонена на угол φ, зависящий
от сопротивления перекатыванию. Сила Р проходит через мгновенный центр
вращения системы π и является результирующей всех сил, действующих на
182
фрезу в вертикальной плоскости. Горизонтальная составляющая этой силы Рх в
зависимости от направления вращения фрезы может иметь направление вперед
или назад, что отражено в формуле (2.114) знаками плюс и минус. Для нормальной работы агрегата необходимо, чтобы усилие в случае отрицательного
значения по абсолютной величине не превышало сопротивления перекатыванию колес трактора.
2.28 Определение основных параметров фрезы
Ширина захвата фрезы зависит от мощности трактора, с которым ее агрегатируют. Если принять, что в формуле (2.105) мощность, определяемая первыми тремя членами, прямо пропорциональна числу ножей фрезы Z, то ширину
захвата фрезы можно вычислить следующим образом: определить по формулам
(2.112) и (2.113) значения Nф и N o1 при Z=1. Принимая, что на одном диске
фрезы будет установлено Z ножей с расстоянием между ними ℓ, получим ширину захвата фрезы
N тр - N п

B
 ,
(2.115)
N ф1  N о1 2    Z


Nтр – мощность трактора.
Диаметр фрезы Dф выбирают из условия обеспечения обработки почвы на
заданную глубину а, чтобы при этом диски, звездочки, корпус редуктора, кожух и другие детали проходили над поверхностью поля с минимальным просветом 50…60 мм, а на вырубках – 80…100 мм. Для большинства известных
фрез эти условия выполняются при Dф=(2,5…3,5)а.
Число ножей Z, укрепляемых на одном диске, связано с подачей S, то есть
зависит от скорости движения агрегата. Для фрез, агрегатируемых с трактором
без ходоуменьшителя, имеющих рабочую скорость 3…5 км/ч, чаще всего применяют число ножей равным 4, 6 или 8. Величину S можно определить из уравнения (2.102).
От подачи S зависит также степень размельчения почвы. Для большинства современных фрез следующие подачи: для задернелых почв S=4…8
см, для старопахотных почв S=10…15 см. Для фрезерных канавокопателей
принимают S=3…6 см.
Частоту вращения фрезы определяют поступательная скорость агрегата
где
183
Vаг и заданная подача S:
n
Vокр
Dф

2Vаг
.
S
(2.116)
Расстояние между соседними дисками на валу фрезы зависит от формы и
ширины загнутой части ножей. Его рекомендуется выбирать в пределах
ℓ=100…200 мм.
2.29 Построение кинематических схем фрез
Почвенные фрезы с горизонтальной осью вращения по кинематике отличаются расположением приводного механизма и направлением вращения фрезы. Чаще всего они вращаются в таком направлении, при котором ножи врезаются в почву сверху вниз. Значительно реже у фрез встречается обратное вращение.
Фрезы приводятся в действие от вала отбора мощности трактора. Различают фрезы с боковым (рис. 2.53 а) и центральным (рис. 2.53 б) приводами. Боковое расположение привода несколько сложнее центрального, однако оно даст
возможность размещать ножи по всей длине фрезерного барабана на одинаковом расстоянии, что позволяет производить сплошную обработку поля. При
центральном расположении привода между ножами барабана в месте нахождения передачи образуется просвет, в результате чего на поверхности поля остается огрех. Для обработки этой полости поля необходимо устанавливать дополнительный рабочий орган (например, рыхлящую лапу).
При боковом размещении привода вращение на фрезу передается через
карданную передачу, редуктор и цепную передачу. Вместо цепной передачи
возможна также установка цилиндрических шестерен.
Частота вращения фрезы определяется передаточным отношением редуктора цепной передачи
Z Z Z
ф  nb x 1 3 ,
Zy Z2 Z4
где
nb – частота вращения вала отбора мощности трактора.
184
Рис. 2.53. Кинематические схемы фрез с горизонтальной осью вращения
Изменение частоты вращения достигается установкой сменных шестерен
Zx и Zy. При постоянном межцентровом расстоянии А для создания нормального зацепления шестерен следует выдерживать условие
2A
Zx  Zy 
,
m
где m – модуль шестерен.
Сменные шестерни дают возможность быстро менять частоту вращения
фрезы. Однако при таком способе регулирования значительно усложняется
конструкция редуктора.
Конструктивно проще решается регулировка путем установки сменных
звездочек Z3 и Z4 на цепной передаче. При этом, однако, немного уменьшается
диапазон регулирования и упрощается его проведение в процессе эксплуатации.
Фреза с центральным расположением передаточного механизма приводится в действие через шарнирную передачу и конический редуктор, расположенный непосредственно на валу фрезы. Вращение при такой схеме может
быть передано цепной передачей так же, как показано на рис. (2.53 а).
Нужное направление вращения фрезы получают при соответствующем
расположении конических шестерен.
Полевые и болотные фрезы для создания сплошной обработки поля и
удобства вождения трактора необходимо смещать относительно трактора на
Δ=100…200 мм (рис. 2.54 а). У садовых фрез, чтобы трактор мог пройти на дос-
185
таточном расстоянии от дерева, не повреждая его крону, это расстояние увеличивают до Δс=1200…1500 мм (рис. 2.54 б).
Лесные фрезы располагают симметрично относительно трактора, их применяют для основной обработки почвы на вырубках, а также для ухода за культурами в вариантах седлания агрегатом рядка растений (рис. 2.54 в) и вписывания в междурядье.
а и б – несимметричное; в – симметричное
Рис. 2.54. Расположение фрез относительно трактора
2.30 Расчет основных узлов и деталей
Расчет ножей фрезы с горизонтальной осью вращения. На нижний нож
фрезы (рис. 2.55) действуют силы:
Pл  pbS sin  k ;
P  k S sin  k .
(2.117)
а – г-образный; б – т-образный; в – плоский
Рис. 2.55. Схема для расчета ножей фрезы
Усилие отбрасывания почвы
P0 
75 N 0
Vокр - Vаг  i .
(2 118)
186
Для г-образных ножей (рис. 2.55 а) в опасном сечении действуют моменты:
b
S

M из  Pл  P0     P    ;
M кр   Pл  P0   .
2

2
Для т-образных ножей (рис. 2.55 б):
S

M из  Pл  P0     P    ;
2

M кр  0.
Для плоских ножей типа полевых крючков (рис. 2.55 в);
S

M из  P0    P    ;
M кр  0.
2

При работе фрезы на почвах, где встречаются пни, камни и другие препятствия, с учетом возможной ударной нагрузки расчетные значения Миз и Мкр
должны быть удвоены.
Приведенный момент находится по формуле
M  M из2  M кр2 .
(2.119)
Расчет вала горизонтальной фрезы (рис. 2.56). В процессе работы на вал
фрезы действуют суммарная сил сопротивления Р почвы при обработке фрезой
и сила Рц натяжения цепи.
а – схема действия сил, б – эпюра срезающих сил и моментов
Рис. 2.56. Схема для расчета вала горизонтальной фрезы
187
Суммарную силу сопротивления определяют по формуле
75 N 0
Pn  pS sin  k  pb  k  i 
Vокр  Vаг i ,
(2.120)
а силу натяжения цепи – из выражения
Pц  Pn
Dф
dз
,
i – количество ножей, одновременно работающих в почве;
N0 – мощность, затрачиваемая на отбрасывание почвы; ее определяют по
формуле (2.113);
αk – угол контакта фрезы с почвой;
Dф – диаметр фрезы;
dз – диаметр звездочки на валу фрезы.
Допуская, что силы Рn и Рц расположены в параллельных плоскостях, заменяем их равными силами, перенесенными к оси фрезы и соответствующим
крутящим моментом.
Сила Рn (рис. 2.56) действует на вал фрезы равномерно на участке
LN(q=Рn/В), а сила Рц приложена в точке K.
Определяют реакции в опорах L и N, строят эпюры перерезывающих сил
и изгибающих моментов, используя известные методы, и находят:
Максимальный изгибающий момент
где
L2
M LN max 
.
2 Pn
Изгибающий момент для участка NK
M NK  Pц X1;
M N  Pц.
при Х1=ℓ
Крутящий момент на участке LN
Pn Dф
x;
2
B 2
PD
M кр N   n ф .
2
M крLN   qx
при X=В
Dф

Крутящий момент на участке Nk
M кр NK  
Pn Dф
2
.
188
Определение расчетного момента и суммарного напряжения должно быть
проведено для сечения N, а также для сечения 1-1, где значения Мкр достигают
наибольшей величины.
Расчет ножей и вала вертикальной фрезы. Определяют усилие (рис. 2.57),
действующее на нож фрезы:
Pp  S sin   pa  k  .
(2.122)
Рис. 2.57. Схема для расчета ножей вертикальной фрезы
Угол α меняется от 0 до 180°, поэтому максимальное значение Рр будет
равно
Pp  S  pa  k  .
(2.123)
Изгибающий момент, действующий на нож в опасном сечении, составит
a

M и  S  pa  k     H  .
(2.124)
2

Так как вертикальная фреза в работе не создает тягового сопротивления,
то вал фрезы рассчитывается только на кручение по формуле
Nb
M кр  71620 1 ,
(2.125)
n
где N b1 – определяют по формуле
N b1 
21,5 pa  k  RVаг 
2V 2 
2  2аг  л.с.

25
3Vокр 

Возможны случаи, когда трактор с фрезой начинает перемещаться, а
189
вращение фрезы еще не включено. При этом возникает усилие, вызывающее на
валу фрезы изгибающий момент. Величина этого момента может быть определена из выражения
где
a

M и  m b1ak  H   ,
2

m – количество вертикальных фрез в машине;
 b1
– сумма проекций ножей фрезы на вертикальную плоскость, пер-
пендикулярную движению агрегата;
k – удельное сопротивление почвы при перемещении ножа,
k=8…12Н/см2.
Диаметр вала в опасном сечении находят сначала по Мкр, а затем по Ми и
принимают из них большее значение
ЯМОКОПАТЕЛИ
2.31 Определение основных параметров
Основой для конструирования ямокопателей служат следующие показатели, предусмотренные исходными требованиями и техническим заданием на
проектирование:
– назначение ямокопателя (например, для рытья ям под посадку лесных и
плодовых культур, для строительных работ);
– технологический процесс, выполняемый машиной, и агролесоводственные требования (например, рытье ям с выносом почвы на поверхность или без
выноса, степень перемешивания почвы, дальность отбрасывания и форма насыпи вокруг ямы, глубина и диаметр ямы, направление оси ямы относительно поверхности поля или плоскости горизонта);
– характеристика и механический состав почвы, извлекаемой ямокопателем, и ее предшествующая обработка;
– возможные схемы расположения выкапываемых ям;
– трактор, с которым будет агрегатироваться машина;
– эксплуатационные и экономические показатели машины (производительность, металлоемкость, предполагаемая потребность и т.д.).
Диаметр бура ямокопателя зависит от диаметра выкапываемой ямы. В
190
связи с тем, что ямокопатель представляет собой жесткую систему, и в процессе его работы возникают вибрации и колебания бура, для получения заданного диаметра D0 ямы, диаметр бура будет несколько меньшим, то есть
D=(0,93…0,95)D0.
Высота бура ямокопателя зависит от глубины и диаметра выкапываемой
ямы, а также от способа заглубления бура и выноса на поверхность грунта.
У транспортирующих буров, предназначенных для непрерывного заглубления в процессе копки ям, высота принимается равной глубине Н0 ямы
или несколько большей, то есть Н=(1,0…1,1)Н0. К этому типу относятся винтовые и лопастные буры, у которых высота больше диаметра.
Высота бура ямокопателей, используемых для прерывистой работы, при
которой бур периодически выглубляют и очищают от грунта, должна быть
меньше его диаметра, Н=(0,3…0,8)D.
По числу заходов i шнековой части буры разделяются на одно-, двух- и
трехзаходные. Для лучшей транспортировки почвы из ямы при H/D>2 рекомендуется применять однозаходные буры, а при H/D<2 – двухзаходные. Использование трехзаходных буров ограничено в связи с увеличением энергоемкости
операции.
Угол α подъема винтовой поверхности берут в пределах 10…25°. С увеличением α усиливается отбрасывание почвы. Поэтому меньшие значения α
принимают, когда радиус отбрасывания почвы должен быть небольшим.
Скорость заглубления бура или величина подачи S на один оборот может
быть выбрана в широком диапазоне. Величину подачи ямокопателя выбирают в
пределах 10…100 мм на один оборот бура. При работе на плотных почвах, на
целине, овражно-балочных и горных склонах и на лесных вырубках величина
подачи должна быть минимальной, а на рыхлых почвах – может иметь большие
значения. Для универсальности ямокопателя целесообразно предусмотреть в
конструкции возможность регулирования подачи бура.
Скорость вращения бура является основным параметром, от которого зависит транспортировка почвы (грунта) шнеком. Скорость, при которой обеспечивается движение почвы вверх по шнеку с наименьшей величиной приводного
момента на валу бура, определяют по формуле
  4...5кр ,
(2.126)
где
ωкр – скорость, при которой почва еще не транспортируется вверх,
191
кр 
2g
,
ctg   1  ADf 2
g – ускорение силы тяжести;
α – угол подъема винтовой поверхности;
φ1 – угол трения почвы о сталь;
f2 – коэффициент трения почвы о почву, f2=0,8…1,0;
А – множитель, который находят из выражения
S
A 1
,
tg    D
(2.127)
(2.128)
Вертикальная скорость Vz перемещения почвы в процессе работы бура
является промежуточным показателем, необходимым для определения приводного момента, и равна

 2
E 
2 2


(2.129)
AB
A
B

4
P
A
ctg





1

 ,
f


2 

P  tg 1  0,4 tg  0,4ctg   1   0,16 tg ctg   1   ctg  1 ;
Vz 
где
Dtg
4P
B  tg  2ctg   1   0,4 tg ctg   1 ;
2g
.
D 2
Для обеспечения свободного прохода почв между витками бура должно
быть выдержано условие
Skвсп
Vz 
,

где kвсп – коэффициент вспушенности почвы, kвсп=1,6.
Наименьший приводной момент и осевая сила на валу бура могут быть
получены при следующих значениях углов; передний угол резания лемеха
β0=40…45°; задний угол резания лемеха при работе на плотных почвах
ε0=20…25°, а при использовании на рыхлых почвах ε0=10…15°; задний угол для
перки 5…10°.
Потребная мощность трактора для работы бура равна
M k
N  кр зап ,
751 2
E
где
η1=0,9…0,95 – КПД механизмов передачи ямокопателя;
η2=0,94 – КПД трансмиссии колесного трактора;
192
kзап=1,3…1,5 – коэффициент запаса мощности двигателя трактора;
ω – угловая скорость вращения бура;
Мкр – крутящий момент на валу бура, состоящий из суммы моментов:
M кр  M пер  M лем  M тр  M пол ,
где
Мпер – момент, затрачиваемый на вращение перки (80…150 Н∙см);
Млем – крутящий момент на валу бура от работы лемехов;
Мтр – момент, затрачиваемый на транспортировку почвы;
Мпол – момент, затрачиваемый на трение полозков.
В свою очередь, Млем определяют из зависимости


2
M лем  0,5iq2 cos  k2 S sin  0  1  r02  rпер
,
где
(2.130)
i – число заходов шнека;
q2 – коэффициент сопротивления почвы внедрению в нее лезвия лемеха,
зависящий от физических свойств почв и толщины лезвия;
k2 – коэффициент сопротивления почвы деформации, зависящий от физических свойств почвы;
ψ – угол наклона силы сопротивления почвы внедрению лезвия;
β0 – передний угол резания лемеха;
r0 – радиус ямы (r0=0,5D0);
rпер – радиус перки. Значения ряда параметров приведены в табл. 2.6.
Таблица 2.6
Значения параметров q2, k2, ψ
Вид почвы
q2, Н/см
1. Дерново-подзолистая
36
2. Черноземная со сложившимся плантажом
24
3. Свежий плантаж
18
k2, Н/см
25
17
12
ψ, град.
52…58
30…35
30…35
Момент, затрачиваемый на транспортировку почвы, определяют по формуле


M тр  btg cos  r03 3r0  4 r2   4r 2 .
При r2=r3 и r3=r0 эта формула примет вид


M тр  br 2 cos  4 F  r02 tg ,
где
r3 – радиус вала бура;
(2.131)
193
F – площадь потока в осевом сечении бура.
Значение b находят из зависимости
f 2ia2 H
b
,
12 g sin 
где
γ – объемный вес почвы;
ωа – абсолютная угловая скорость,
a 
Vz
;
r0 tg
δ – угол между направлением абсолютной скорости потока почвы и горизонтальной плоскостью,
Vz tg
tg 
;
(2.133)
r0 tg  tg   Vz
tg 
S
.
2r0
(2.134)
Угол μ между касательной и кривой поверхности потока и горизонтальной плоскостью можно определить из выражения
a2r0
tg 
 ,
g
где
φ – угол трения почвы о почву (tgφ=0,8…1,0).
Внутренний радиус потока
z 2  r0 
2F
.
tg
Площадь потока почвы в осевом сечении бура
Vtg
F
.
Vz
(2.135)
(2.136)
Объем почвы, поступающей за один заход бура в секунду
kвсп r02 S
V
.
2i
Момент, затрачиваемый на трение полозков,
M пол  G - Rz  f1rпол ,
где
(2.137)
G – вертикальная сила, действующая на бур от веса ямокопателя;
Rz – вертикальная проекция сил сопротивления почвы резанию лемехом и
перкой.
194
В свою очередь, Rz находят из следующей зависимости:
Rz  Rzпер  iq2 sin  k2 S cos 0  1 r0 - rпер ,
где
(2.138)
Rzпер – вертикальная проекция силы сопротивления почвы при внедрении
перки (Rпep=800…1800 Н);
rпер – радиус перки;
rпол – средний радиус полозка.
2.32 Построение кинематической схемы ямокопателя
В зависимости от траектории движения бура различают следующие разновидности ямокопателей:
– ось бура в процессе заглубления остается перпендикулярной опорной
плоскости трактора; такие ямокопатели применимы для выкопки ям на горизонтальных участках или полях, имеющих уклон не более 6…8°;
– ось бура при заглублении перемещается вертикально независимо от уклона поверхности поля, что необходимо при работе на склонах крутизной более 8°.
Первая разновидность ямокопателя может быть выполнена по двум схемам (рис. 2.58).
По первой схеме (рис. 2.58 а) ямокопатель присоединяют к трактору тремя тягами, причем две нижние тяги образуют раму машины. При такой схеме
одновременно с опусканием бура происходит некоторое радиальное его перемещение. Возникающие при этом поперечные нагрузки требуют усиления элементов машины. При графическом построении кинематической схемы такого
ямокопателя положение точки присоединения верхней тяги на машине выбирают так, чтобы на участке траектории заглубления бура поперечное перемещение было минимальным и не превышало 2…3 см.
Длина рамы Lт может быть определена графически из расчета обеспечения требуемой величины транспортного просвета, а также аналитически из
зависимости
Lт 
где
H b  hтр    т ,
 2 - 1
Hb – высота оси подвеса относительно основания бура;
hтp – транспортный просвет (hтp≥300 мм);
(2.139)
195
ℓ1 – высота оси подвеса тяг на тракторе;
ℓ2 – наибольшая высота подъема тяги навесной системы трактора;
ℓт – длина нижних тяг навески.
В ямокопателях, в которых бур в процессе заглубления не имеет поперечного перемещения (рис. 2.58 б), используют тяги навесной системы трактора, к которым присоединяют раму ямокопателя, имеющую направляющие
для перемещения бура с редуктором.
Длина рамы с целью уменьшения вылета центра тяжести машины должна
быть принята минимальной. Критериями для выбора размера рамы служат конструктивное размещение бура и обеспечение допустимых углов между валами
шарнирной передачи.
Точки для присоединения к тягам навесной системы должны быть расположены так, чтобы в рабочем положении, при опоре рамы на поверхность поля,
направляющие бура располагались перпендикулярно поверхности поля. Высоту
направляющих принимают из условия обеспечения требуемого транспортного
просвета бура.
Рис. 2.58. Кинематические схемы ямокопателей
196
Направляющие бура и редуктора ямокопателя, агрегатируемого с самоходными шасси, монтируют не на навесной системе, а непосредственно на
раме шасси (рис. 2.59 а). Длину плеч рычагов механизма подъема, приводимого
от выносного гидроцилиндра, определяют графически. При этом должны быть
учтены необходимый транспортный просвет и требуемая глубина ямы.
При проектировании ямокопателей для работы на склонах, когда бур располагается вертикально независимо от уклона, применяют различные конструктивные схемы.
Рис. 2.59. Кинематические схемы ямокопателей на самоходном шасси (а) и с
шарнирным подвесом бруса (б)
Большое распространение получили ямокопатели с шарнирным подвесом
бура на двух тягах (рис. 2.59 б). Ввиду того, что центр тяжести такого бура с
редуктором расположен ниже оси подвеса, бур под действием собственного веса всегда занимает вертикальное положение. Длину тяг этого ямокопателя определяют так же, как и у машины, представленной на (рис. 2.58 а).
Ямокопатели, выполненные по схеме, показанной на рис. 2.58 б, наиболее
просты по конструкции, но имеют ряд недостатков. Во-первых, из-за неоднородности почвы возможен увод бура в сторону в процессе заглубления; вовторых, нарушается вертикальность бура при поперечном уклоне поля.
Указанные недостатки отсутствуют у ямокопателя, предназначенного
специально для склонов (рис. 2.60). Этот ямокопатель присоединяют к трактору
тремя тягами. На них установлен кронштейн 3, к которому шарнирно прикреплен бур 4. Шаровой шарнир 5 позволяет буру занимать вертикальное положение как при продольном, так и при поперечном уклоне поля. При заглублении
бура в почву шаровой шарнир зажимается, что устраняет возможность перемещения бура относительно кронштейна 3 и тяг 1 и 2.
197
Для сохранения вертикального бура в процессе заглубления необходимо,
чтобы четырехзвенник ABCD был выполнен в виде параллелограмма.
В горных условиях применяют ямокопатели, навешиваемые на горное
самоходное шасси (рис. 2.60 б), у которых колеса устанавливают на разных
уровнях по высоте в зависимости от крутизны склона, сохраняя этим самым
вертикальность остова шасси и, следовательно, вертикальность бура ямокопателя.
а – на гусеничном тракторе, б – на самоходном горном шасси
Рис. 2.60. Схема ямокопателей для склонов:
2.33 Расчет основных узлов и деталей ямокопателя
В процессе работы на ямокопатель, не имеющий принудительного заглубления, действуют следующие силы (рис. 2.61): Gя – вес ямокопателя; Gn –
вес почвы, находящейся на поверхностях бура в процессе работы; Rz лем – сопротивление почвы заглублению лемехов; Rzпер – сопротивление почвы заглублению перки; Fz – вертикальная проекция силы трения почвы о поверхность
ямы; Rzпол – реакция почвы на полозки; Мпр – приводной момент бура.
198
Рис. 2.61. Схема сил, действующих на ямокопатель
На ямокопатель с принудительным заглублением действуют силы Gя, Gn,
Rz лем , Rzпер , Fz, Mпp, а также сила F, возникающая от гидравлической или механической системы заглубления бура.
Основная сила, действующая на бур в первом случае, воспринимается
опорными полозками. Реакция почвы на полозки равна
Rzпол  Gл  Gп  Fz  Rz лем  Rzпер .
(2.140)


При принудительном заглублении реакция, возникающая в опорах бура,
может быть определена по формуле
Rz0  Gя  F  Gп  Fz  Rz лем  Rzпер .
(2.141)


Сопротивление почвы вертикальному перемещению бура Rz  Rz лем  Rzпер
определяют по уравнению (2.138). Приводной момент бура в процессе его заглубления находят из уравнения (2.130).
Вес почвы, находящейся на поверхности бура при его работе
r02 Skвсп H 
Gп 
,
2Vz
(2.142)
где   – объемный вес вспушенной почвы.
На вал бура действуют приводной момент Мпр и осевая Rzпол или Rz0 . При
расчете вала на прочность необходимо учитывать возможность смещения осевой силы вследствие неоднородности почвы, неодинаковой степени остроты
лемехов и т.п. Момент сопротивления вала бура при пассивном заглублении
может быть определен из уравнения
199
2
 Rzпол  r0 
2

  0,75M пр
 2 
W
,
и
при принудительном заглублении
2
 Rz0  r0 
2

  0,75M пр
 2 
W
.
и
Для вала сплошного круглого сечения
d 3
W
 0,1d 3 .
32
Для вала, изготовленного из трубы (наружный диаметр d, внутренний d0)
d 3  d 04 
d 4  d 04
1    0,1
W
.
32 
d 
d
Раму ямокопателя рассчитывают на прочность в рабочем и транспортном
положениях. В рабочем положении на раму действуют силы Rzпол или Rz0 , Rzц
и реакция в шарнире В (рис. 2.61).
При ровном сечении брусьев АВ опасное сечение будет находиться в точке Е. Момент сопротивления одного бруса рамы в этом сечении должен быть
Rz Lт - Lц 
M
WE  и  пол
.
2 и
2 и
При расчете рамы в транспортном положении вместо Rzпол или Rz0 берут
силу Rz тр , равную
Rz тр  Gя  Gп .
200
Раздел третий
ПОСЕВНЫЕ И ЛЕСОПОСАДОЧНЫЕ МАШИНЫ
ЛЕСНЫЕ СЕЯЛКИ
3.1 Способы посева лесных семян и агротехнические
требования к посевным машинам
Лесные семена очень разнообразны по форме, размерам, сыпучести и
другим внешним показателям, от которых зависит схема рабочего процесса посевной машины. По степени сыпучести семена принято делить на такие категории: сыпучие – угол естественного откоса φс=28…40° (к ним относятся мелкие
семена сосны, ели, акации, бересклета, жимолости и др.; средние – калины,
кедра, пихты кавказской и др.; крупные – дуба, лещины и др.) и несыпучие –
угол φc=70…90° (семена берёзы, ильмовых, ясеня, клены и др.). Семена некоторых лесных пород высеваются или проросшими, с ростками, которые должны
быть полностью сохранены при посеве, или стратифицированными, то есть в
смеси, например, с песком, торфом.
Посев семян в лесном хозяйстве производят в питомниках и непосредственно на лесокультурных площадях. В питомниках, как правило, применяют
рядовой посев. Он может быть однострочный, когда семена высевают непрерывной струёй в борозды, расположенные одна от другой через равные
промежутки (междурядья); ленточный, когда две или более борозд образуют
группу – ленту с малыми междурядьями внутри неё и значительно большими
между лентами. Ширина самих рядов колеблется от 1,5 до 25 см.
На лесокультурных площадях применяют различные виды группового
посева: строчно-луночный, когда семена высевают в ряду кучками, лунками;
гнездовой, когда кучки семян распределяют на площади не рядами, а по-иному,
например, по углам квадрата, прямоугольника и конвертом, а также рядовой,
когда семена высевают узкими рядами с шириной междурядий, принятой для
региона. Ограниченное применение находит разбросной посев на концентрированных вырубках и при облесении больших площадей, применяя для этого самолёты и разбросные сеялки.
201
Технологический процесс посева лесными сеялками можно разбить на
две основные фазы: 1) равномерную подачу семян из семенного ящика к сошникам и 2) подготовку бороздок, укладку в них семян и заделку последних
влажной почвой на одинаковую глубину. В соответствии с этим к посевным
машинам предъявляют следующие агротехнические требования.
1. Распределение семян на дне бороздок должно быть равномерным.
2. Высовывающие аппараты сеялки должны высевать семена равномерно.
Средняя неравномерность высева между отдельными аппаратами не должна
превышать 3-5%,
3. Количество высеваемых семян в каждом рядке должно соответствовать
установленным нормам. Отклонение от нормы допускается не более ±3-5%.
4. Семена при высеве не должны повреждаться в высевающих аппаратах,
сошниках и других механизмах сеялки. Повреждаемость семян – не более
1,5…2,5%
5. Сошники сеялок должны создавать слегка уплотнённое дно, глубина
борозд должна быть одинакова. Семена укладываются на уплотнённое дно и
заделываются влажным слоем почвы. Отклонения от заданной глубины заделки
семян допускаются при глубине посева 3…4, 4…5 и 6…8 см соответственно
±0,5; ±0,7 и ±1,0 см.
3.2 Общий порядок проектирования лесной сеялки
Исходные данные для проектирования: порода семян, их параметры и физико-механические свойства, максимальная и минимальная норма высева семян
в кг/га, схема посева, глубина заделки, ширина бороздки, количество бороздок,
ширина грядки, длина гона и рабочая скорость.
Порядок проектирования следующий.
Вычерчивают схему посева в масштабе, указывают размещение посевных
бороздок и положение ходовой системы трактора относительно посевной ленты
(рис. 3.1).
Ширину ленты Bл принимают равной ширине колеи трактора Вл=Вк. Ширина посевной грядки
Bг  Z б  1bц  2b,
(3.1)
где
Zб – число бороздок;
202
bц – расстояние между центрами бороздок;
Δb – зазор между колёсами (гусеницами) трактора и стенками крайних
бороздок, Δb=12…15 см.
Рис. 3.1. Схема посевной ленты
Определяют максимальное и минимальное количество семян, которые
должны быть высеяны на 1 м бороздки при заданных нормах высева:
Q
q max min   max min  10 3 ,
(3.2)
L
где qmax, qmin – максимальная и минимальная масса семян, высеваемых на 1 м
длины бороздки, в г;
Qmax, Qmin – заданные максимальная и минимальная нормы высева семян,
г/га;
L – общая длина посевных бороздок на 1 га посевной площади, м:
10 4 Z б
L
,
Bл
(3.3)
Z – число бороздок в ленте;
Bл – ширина посевной ленты.
Объём семян Wmax(min), высеваемых одним высевающим аппаратом на 1 м
борозды, находится по формуле
где
Wmax min  
qmax min 

, см3
(3.4)
ρ – плотность (объёмная масса) высеянных семян.
Выбирают тип высевающего аппарата, исходя из физико-механических
свойств и параметров высеваемых семян. Чаще всего для высева крупных семян (дуба, лещины и др.), а также средних по размеру (лох, вишня, тёрн и др.)
применяют катушечно-лопастные высеивающие аппараты; для мелких сыпучих
семян – катушечно-желобчатьте; для крылатых и стратифицированных семян –
катушечно-штифтовые. В последнем случае для предотвращения сводообразогде
203
вания в бункерах устанавливают специальные ворошители семян.
Направление вращения катушки высевающего аппарата зависит от типа
семян. Основополагающим в выборе направления вращения катушки является
требование минимального повреждения семян. Исходя из этого, для высева
крупных и малосыпучих семян обычно применяют верхний высев, при котором
катушка вращается в направлении, противоположном направлению движения
агрегата, т.е. семена принимает на себя; для средних по размерам и мелких сыпучих семян – нижний высев, когда катушка вращается в направлении движения агрегата.
Затем выбирают тип бункера (семенного ящика), сошников, семяпроводов и заделывающих рабочих органов; обосновывают выбор типа ходовых
колёс, механизмов привода высевающего аппарата, подъёма и регулирование
глубины хода сошников, производят необходимые расчёты.
3.3 Расчёт семенного бункера посевных машин
Семенные бункеры посевных машин служат ёмкостями для семенного
материала, они обеспечивают образование зернового потока и истечение семян
через выходные отверстия. Бункеры должны иметь оптимальную вместимость,
равномерно и непрерывно подавать семена к высевающим аппаратам.
В практике встречаются следующие формы поперечного сечения семенных бункеров (рис. 3.2): трапецеидальная (а); близкая к шестигранной (б), комбинированная (в) – верхняя часть прямоугольная, нижняя – трапецеидальная.
Наибольшее распространение получили бункеры трапецеидальной и комбинированной форм. Передние и задние стенки бункеров устанавливают под углом к
основанию, равным удвоенному углу трения φ посевного материала по окрашенной поверхности (по дереву, металлу).
Рис. 3.2. Формы поперечного сечения семенных бункеров
Для малосыпучих и несыпучих лесных семян используют бункеры пря-
204
моугольного сечения с вертикальными стенками, внутри бункера устанавливают ворошилки и питатели, подающие принудительно семена со средой стратификации к выходным отверстиям. Известны конструкции бункеров, в которых
одна из стенок приводится в колебательное движение, что препятствует образованию свода в семенах.
Рассмотрим расчёт и проектирование комбинированного бункера (рис.
3.3).
Рис. 3.3. Комбинированный бункер
Рабочий объём (Wб) должен обеспечивать запас семян, достаточный для
бесперебойной работы сеялки до очередной заправки. Наименьший допустимый объём бункера должен содержать запас семян, необходимый для двойного
хода сеялки (туда и обратно). В этом случае
Wб 
2 LгWmax Z б K б
,
Kб
(3.5)
Lг – заданная длина гона (м);
Wmax – максимальный объем семян, высеваемых на 1 м бороздки, определяемый по формуле (3.4); Zб – число бороздок в ленте; Kб – коэффициент увеличения ёмкости бункера, Kб=l,0…l,15; Kз – коэффициент заполнения бункера,
Kз=0,8…0,9.
Длину бункера принимают равной ширине захвата сеялки
Lб  Bг  Z б-1bц  bб  2b, см,
(3.6)
где
Расстояние между центрами борозд равно:
bц 
Bг  2b - bб
.
Z б-1
В днище бункера имеются выпускные отверстия, количество их соответствует числу бороздок. Отверстия могут быть круглого и в отдельных слу-
205
чаях квадратного сечения. Размеры выпускного отверстия из условия устойчивого истечения через него семян равны:
а) для круглых отверстий
d 0 8 BC ;
(3.7)
б) для квадратных отверстий
a б  4 BC ;
где
(3.8)
В и С – соответственно ширина и толщина семян (справочные данные);
аб – сторона квадратного отверстия.
Ширина бункера в верхней части находится по формуле
Bб  Aб  2hтрctg ,
(3.9)
Aб – ширина нижнего основания трапеции, Аб=(1,1…l,2)Dп,
Dп – диаметр питателя или ворошилки, Dп=100… 150мм;
hтp – высота трапецеидальной части бункера, hтр=(0,5…0,7)Dп. Обычно
ширину бункера принимают в пределах 250…300мм.
Объём трапецеидальной части бункера составит
где
Wтр 
 Aб  Bб  h
Kб
тр Lб ,
см3 .
(3.10)
Высота прямоугольной части бункера равна
hпр 
Wб - Wтр
Вб Lб
, см.
Отсюда полная высота бункера
H б  hтр  hпр .
(3.11)
(3.12)
По конструктивно-технологическим соображения высота бункера должна
быть в пределах 300…400 мм. При большем или меньшем значении следует
ввести корректировку величины ширины бункера.
Бункеры сверху закрывают покатыми запирающимися крышками, устанавливают их над осью ходовых колёс сеялки.
3.4 Расчёт высевающих аппаратов
А. Высевающих аппараты рядовых сеялок
В сеялках для лесных семян используют катушечные аппараты трёх
типов катушечно-желобчатые, катушечно-лопастные и штифтово-катушечные.
206
Катушечно-желобчатый высевающий аппарат имеет две модификации: с
литой чугунной коробкой (корпусом) (рис. 3.4а) и со стальной литой штампованной коробкой (рис. 3.4б). Каждый аппарат состоит из следующих основных
частей: семенной улиткообразной коробки 1- литой чугунной (рис. 3.4а) или
штампованной (рис. 3.4б), желобчатый катушки 2, муфты 5, регулирующей
норму высева. Катушки и муфты закреплены с торцов шплинтами на валике 3,
в нижней части коробки имеют откидной клапан 4. В пазу боковой стенки коробки фланцем подвижно закреплена розетка 6, внутренний диаметр которой
равен внешнему диаметру катушки; по внутренней окружности розетки имеются вырезы, соответствующие профилю желобков катушки. Катушка входит в
розетку и при работе вращается вместе с ней вокруг оси вала. При регулировании нормы высева катушка, смещаясь вместе с валом вдоль его оси, проходит
через розетку. Розетка предохраняет семена от высыпания через боковые отверстия коробки.
Рис 3.4 Конструкция катушечно-желобчатых аппаратов
Аппарат с литой коробкой имеет регулируемый клапан, индивидуальное
опорожнение и только нижний высев. Аппарат со штампованной коробкой
имеет подпружиненный клапан с постоянным расположением, групповое опорожнение и может производить как верхний (для крупных семян), так и нижний
(или только нижний) высев.
207
Высев семян катушкой включает несколько стадий: заполнение коробки
аппарата семенами из бункера, наполнение желобков, транспортирование семян
катушкой к высевному отверстию и выводу их из коробки. Одна часть семян,
запавших в желобки, перемещается вместе с катушкой, другая - за счёт внутреннего трения увлекается катушкой, создавая так называемый активный слой
потока, (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Схема работы катушечного высевающего аппарата
Скорость перемещения семян в активном слое не одинакова и снижается
по мере удаления от катушки. Толщина активного слоя зависит от размеров семян и сцепных свойств их поверхности.
В стадии питания аппарата коробка заполняется семенами, свободно высыпающимися из бункера через отверстия в его дне. Сыпучие семена с углом
внутреннего трения φс ≤40° высыпаются под действием силы своего веса. Семена пониженной сыпучести φс=40…55° и несыпучие с φс=70…90° требуют
принудительной подачи, для чего в бункере устанавливают ворошилки.
А. Расчёт желобчатой катушки. Рабочим объёмом высеивающего аппарата называют объём семян, который высеивает катушка за один оборот. Рабочий объём зависит от нормы высева, которую в питомниках устанавливают в
граммах на один метр длины рядка, а на лесокультурных площадях в г или кг
на единицу площади (га, м2), и передаточного числа.
В большинстве конструкцией катушки приводятся во вращение от ходового колеса. Поэтому высев семян q за один оборот колеса сеялки находят из
зависимости
q  qmax Lc  qmaxDc ,
(3.13)
где
Dc – диаметр колеса в м;
Lc – длина пути в м, проходимого сеялкой за один оборот колеса;
qmах – норма высева в г на 1 м борозды.
208
Передаточное число трансмиссии сеялки:
i0 
nоп
,
nc
где
nоп – частота вращения катушки;
nс – частота вращения колеса сеялки.
Следовательно, за один оборот колеса катушка сделает ic оборотов. Тогда
высев семян в г за один оборот катушки будет
G0 
q qmaxDc

,
ic
ic
или в объёмном выражении
V0 
qmaxDc
,
ic 
(3.14)
V0 – объём семян (см3), высеваемый за один оборот катушки;
ρ – объёмный вес семян в г/см.
Объём высеваемых катушкой за один оборот семян V0 складывается из
семян, заполнивших желобки – Vж и объёма семян в активном слое – Vакт
V0  Vж  Vакт .
(3.15)
где
Для определения объёма желобков катушки необходимо знать площадь
поперечного сечения fж, число желобков Zж и длину катушки lк.
Желобки по своей форме известны двух видов. Первый (рис. 3.6а) представляет два круговых сегмента, образованных радиусом катушки rк и радиусом
желобка rж и имеющих площади f1 и f2 . Следовательно, f ж  f1  f 2 . Второй
вид (рис. 3.6б) слагается из тех же двух сегментов и средней трапецеидальной
части, т.е. f ж  f1  f 2  f 3 .
Рис. 3.6. Формы желобков катушек и расчёт площади сечения желобков
Площади сегментов определяют по известным в геометрии формулам:
209
rk2  1

f1  
 sin 1 ;
2  180

где
где
rж2   2

f2  
 sin  2 ,
2  180

φ1 и φ2 – центральные углы соответственно внешней и внутренней дуги;
  b
sin  1   ж ;
 2  2rk
1  2 arcsin
bж
;
2rk
  b
sin  2   ж ;
 2  2rж
2  2 arcsin
bж
;
2rж
bж – ширина желобка.
Полная площадь поперечного желобка первого вида
rk2  1
rж2   2


f ж  
 sin 1   
 sin  2 .
2  180
 2  180

(3.16)
Площадь поперечного сечения желобка второго вида
f ж 
rk2
rж2
 1

 

 sin 1    2  sin  2  

2  180
 2  180

  a
sin  2   1 ;
 2  2rж
где
ctg
b 2  4rж2 sin 2

4 tg 3
2
a
2  2 arcsin 1 ;
2rж
2
2 ,
(3.17)
3




 
 
 2  rk cos 2     / b; 3  2arcctg 2 r k cos 2   2  / 2.
2
 2 
 2




Глубина желобка находится по формуле
h  2,5 BC ,
(3.18)
В и С – соответственно ширина и толщина высеваемых семян.
Ширина желобка равна
B
bж  hж .
(3.19)
C
Выбирают число желобков катушки. Рекомендуется для мелких сыпучих
семян принимать большее число желобков, а для крупных семян – меньшее в
пределах Zж=8-16. Отсюда диаметр катушки будет равен:
где
Z ж bж  b 
,
(3.20)

где Δb – толщина перемычки между соседними желобками, Δb=1,0…1,5 мм
(размер технологический).
dk 
210
Радиус желобка
rж 
где
2     ;
bж
,
 2 
2 sin  
 2
1  2 arcsin
(3.21)
bж
.
dk
Определив bж, dк и rж находят площадь поперечного сечения желобка fж и
всех желобков Fж  f жZ ж . Геометрический объём всех видов желобков катушки
Vж  Fж lк  f ж Z ж lк ,
(3.22)
а объём помещающихся в желобках семян
Vc  Vж  f ж Z ж lк ,
(3.23)
μ – коэффициент наполнения желобка семенами, μ=0,7…0,9.
Рабочий объем активного слоя Vак рассчитывают по приведенной толщине Спр слоя, в котором семена движутся с постоянной скоростью равной линейной скорости катушки. По опытным данным приведённая толщина активного
слоя лесных семян составляет: для клена остролистного – 10…18 мм; клёна татарского и клёна ясенелистного – 9…13 мм, вяза мелколистного 6,7…9 мм; дуба, лещины, миндаля – 20…25 мм; лоха серебристого алычи, кедра сибирского,
гледичии – 12…18 мм; сосны крымской вишни боярышника – 9,5…12,5 мм;
ореха грецкого и каштана конского – 25…25 мм; сосны быкновенной, ели, лиственницы сибирской – 6…8 мм.
Кольцевая площадь активного слоя
где
f ак   rк  Cпр 2  r 2 к
и следовательно, объём слоя
Vак  f акlк   d к  Спр Спрlк .
Подставляя (3.23) и (3.25) в (3.15), определяют длину катушки
V0
lk 
.
Z ж f ж   dк  Спр Спр
(3.24)
(3.25)
(3.26)
Полный объём V0 высева семян за один оборот катушки находят по формуле (3.14).
Желобок катушки второго вида в своём поперечном сечении близок к желобку лопастной катушки (рис. 3.7)
211
Рис. 3.7. Лопастная катушка
Высоту лопастей hл и расстояние между соседними лопастями определяют по формулам:
hл  2,5 B  C ;
bл  ha
Bmax
,
Cmax
(3.27)
(3.28)
Вmах и Сmaх – максимальные соответственно, ширина и толщина семян, берутся из справочных материалов.
Диаметр катушки
Z b  b 
dк  л л
,
(3.29)

где Zл – число лопастей, Z=12…16;
Δb – толщина лопасти, Δb=(0,15…0,20) мм.
Площадь поперечного сечения межлопастного пространства катушки находят по формуле
 2 2
fл 
dк - d b ,
(3.30)
90
где db – диаметр вала посевного аппарата, db=15…20 мм;
γ – центральный угол дуги окружности, соответствующий ширине желобка с учётом толщины лопасти,
  2 arcsin bл / d к   ,
где


Δγ – центральный угол дуги окружности, ограниченной толщины лопасти
  2 arcsin b / d к .
Геометрический объём всех межлопастных полостей катушки
Vл  Fлlk  f л Z лlк .
(3.31)
Объём помещающихся в полостях семян
Vc    Vл ,
(3.32)
212
μ – коэффициент наполнения полостей, μ=0,7…0,9.
Общую длину катушки принимают равной lk=(0,75…1,00)dk. Максимальный рабочий объём высеваемых семян катушкой с учётом активного слоя
где


Vк max  lr f л Z к   d к  Спр Спр ..
(3.33)
Штифтово-катушечный высевающий аппарат (рис. 3.8) имеет два ряда
штифтов, расположенных по образующий катушки в шахматном порядке.
Рис. 3.8. Штифтово-катушечный высевающий аппарат
Высоту штифтов и расстояние между штифтами (по центрам) определяют
по формулам соответственно: hш  2,5 B  C и bш  hш
B
, применяемых при
C
расчёте желобчатой и лопастной катушек. Длину катушек lшк принимают равной ширине бороздки, lшк=bб мм. Диаметр штифтов, dш=4…6 мм. Диаметр катушки принимают в пределах dк=60…63 мм. Число штифтов в одном ряду
Zш 
d к
.
bш
Остальные параметры находят по формулам лопастной катушки. При
этом необходимо учитывать следующие специфические особенности:
– длина рабочей части катушки равна полной длине катушки, и она не регулируется. Норму высева регулируют только за счёт частоты вращения катушки;
– при высеве стратифицированных семян надо исходить из увеличенной
примерно в 3…4 раза максимальной нормы высева, принятой для этих же сухих
семян из справочных материалов. В этом случае соответственно увеличивают и
размеры катушки.
213
Б. Высевающие аппараты гнездовых сеялок
По конструкции они делятся на дисковые, ячеисто-барабанные, бункернокоробчатые, лабиринтные и др.
Дисковый высевающий аппарат (рис. 3.9) состоит из трёх дисков.
Средний диск 1 является одновременно днищем семенного цилиндрического бункера. В этом диске сделан паз, закрываемый задвижкой 4, перемещаемой вдоль паза с помощью винта 5, чем обеспечивают регулирование сечения
проходного отверстия 6 и тем самым регулирование нормы высева. Диски
внутренний 2 и наружный 3 жёстко закреплены на валу, приводимом во вращение от опорно-ходовых колёс сеялки через цепную и коническую передачи.
Рис. 3.9. Дисковый высевающий аппарат
Оба диска имеют вырезы или отверстия, совпадающие при вращении с
проходным отверстием 6 неподвижного диска. Причём вырезы (отверстия) наружного диска смещены относительно вырезов (отверстий) внутреннего на
угол 45°.
После заполнения бункера семенами диски 2 и 3 приводятся во вращение.
Вырезы (отверстия) внутреннего диска 2 постоянно заполнены семенами. Когда
вырез совмещается с проходным отверстием неподвижного диска 1, семена попадают в отверстие. Но так как отверстие перекрыто снизу наружным диском,
оно превращается в ячейку (карман). При дальнейшем вращении внутренний
диск перекрывает ячейку, оставляя в ней порцию семян. После поворота дисков
на 45° с отверстием диска 1 совмещается вырез (отверстие) наружного диска и
порция семян попадает из ячейки в семяпровод и далее в борозду. Изменяя
число вырезов дисков (заделывая их заглушками), регулируют расстояние между гнёздами в ряду.
214
Размеры проходного отверстия в неподвижном диске (дне) находят также
как размеры ячейки. Геометрический объём отверстия ячейки прямоугольной
формы
Vя  lя bя hя ,
где
lя – длина ячейки;
bя – ширина ячейки;
hя – высота ячейки равная толщине диска.
С другой стороны, Vя  Vc  . В свою очередь, Vc  Vз nз , где Vз – объём
одного зерна данной породы и nз – количество семян, высеваемых в лунку, т.е.
находящихся в ячейке. Объём ячейки рассчитывают для максимального количества наиболее крупных семян, высеваемых в одно гнездо. Для высева меньшего количества ячейку перекрывают задвижкой 4. По найденному Vя определяют линейные размеры ячейки. Нормальное заполнение и нормальная укладка
семян обеспечиваются при bя min  2...4  BC и hя min  2 BC .
Длину ячейки находят по принятым bя и hя.
Соответственно длина вырезов внутреннего диска по радиусу lв≥lя. Наполнение ячеек семенами происходит на длине пути S=(2…3)bя. Следовательно,
ширина вырезов верхнего диска bв=(2…3)bя.
Число вырезов на верхнем диске находят по расстоянию между гнёздами
в ряду Lгн, которое устанавливают в соответствии с лесотехническими требованиями к посеву семян. Число гнёзд mгн высеваемых на длине пути, равном πDc,
будет:
mгн 
Dc
.
Lгн
(3.34)
Если передаточное число трансмиссии i=1, тогда число вырезов на диске
mв=mгн. В общем случае, когда i≠1,
mв 
mгн
.
i
(3.35)
Соответственно расстояние между вырезами по окружности диска
Lв 
где
dд – диаметр диска.
d д
,
mв
(3.36)
215
3.5 Проектирование семенной коробки
Семенную коробку (рис. 3.10) крепят под выпускным семена отверстием
дна бункера. В ней размещают катушку высевающего аппарата. Семена поступают из бункера самотёком.
Ширина семенной коробки: в верхней части Bк  Aб ; нижней – Bк  lк ,
где Аб – ширина нижнего основания трапецеидальной части бункера; lк – длина
катушки.
Рис 3.10. Схема к расчёту семенной коробки
Высота
H к  h1  d к  h2 ,
где
h1 – критическая ширина щели для прохода семян при нижнем высеве,
h1 
F1
;
lк
F1 – критическая площадь сечения выпускного отверстия для прохода семян при нижнем высеве,
2
4 1   
F1 
B  C;

(3.37)
h2 – зазор в верхней части коробки, необходимый для осуществления
верхнего высева семян, h2=(1,5…2,0)h1.
Если конструкцией высевающего аппарата предусматривается устранение активного слоя, что иногда практикуется с целью более точного соблюдения нормы высева, то в крайней правой точке дна семенной коробки устанавливают вертикальной порожек высотой hпор  h1  2 B  C , который отсекает активный слой.
Порядок проектировании семенной коробки следующий.
216
Вычерчивают поперечное сечение катушки, через её центр проводят прямую линию под углом φ1 к вертикали (φ1 – угол трения семян о металл). Определяют положение центра О дуги окружности верхнего края передней стеки
семенной коробки; для этого от точки А на прямой, расположенной на расстоянии h1 от внешней окружности катушки, откладывают отрезок АО=Нк.
Для построения контура семенной коробки радиусом ОА описывают дугу
окружности от точки А вверх до горизонтальной линии, проходящей через
центр О. Ниже точки А из центра О проводят дугу окружности дна семенной
коробки радиусом
Z
dк
 h1.
2
Крайняя правая точка этой дуги лежит на вертикали, проведенной из точки 0.
Обозначают линию ската семейной коробки, по которой семена поступают в желобки и полости катушки. Угол схода семян по скату принимают
 сх 
где
 ж  arcsin

 2 ж ,
2
bж
, и проверяют по условию  сх  21. При таком значении
dж
αсх семена более плавно входят в желобки катушки.
3.6 Расчёт параметров семяпроводов
Семяпровод может быть цельнокрайным или состоять из набора воронкообразных или других элементов, сужающихся в нижней части (рис. 3.11.)
а) резиновый трубчатый; б) воронкообразный круглого сечения; в) коробчатый;
г) воронкообразный квадратного сечения
Рис. 3.11. Семяпроводы лесных сеялок
217
Площадь живого сечения нижней части семяпровода (или каждого элемента семяпровода) должна быть равна или несколько превышать критическую
площадь отверстия при свободном истечении семян
Fкр  16BC .
(3.38)
Диаметр отверстия семяпровода крупного сечения
d н  8 BC .
(3.39)
Сторона квадратного отверстия семяпровода
aн  4 BC .
(3.40)
Параметры нижнего отверстия семяпроводов должны также согласовываться с шириной горловины сошника, в которую они вставляются. Обычно
принимают ширину полости сошника
bн  0,9bб .
(3.41)
В случае, если расчётные значения dн и ан меньше величины bн, то их
принимают равными bн. Если dн>bн или ан>bн, семяпроводы квадратного или
прямоугольного сечения заменяют прямоугольными, у которых меньшая сторона имеет размер bн, а большую сторону Сн определяют из соотношения
Cн 
Fкр
bн
.
(3.42)
Угол наклона рабочей поверхности трубчатого и коробчатого семяпроводов составляет γс=3…4°. Элементы составных семяпроводов расширяются
вверх с углом наклона γс=5…10°, что позволяет объединять их в виде своеобразной гирлянды. Самый верхний элемент с помощью цепочки присоединяют к
семенной коробке. Высоту каждого элемента семяпровода принимают
hэ=150…250мм. Количество элементов в каждом семяпроводе определяется
конструктивно из условия, что при максимальной глубине хода сошника элементы семяпроводов должны перекрывать друг друга не менее, чем на половину своей высоты.
Общая длина семяпровода должна быть согласованна с габаритами сеялки и сошников и определятся по формуле:
1
Dc  dп   hбр  rк   1  1  H c
2
3 2 ,
Lc 
cos  c
где
Dc – диаметр опорного колеса;
(3.43)
218
dп – диаметр подшипника опорного колеса;
hбр – высота бруса рамы;
rк – диаметр высевающей катушки;
Нc – высота сошника;
βс – угол отклонения семяпровода от вертикали, βс≤25°.
3.7 Сошники и заделывающие органы
Сошники предназначены для образования бороздок в почве, укладки семян на дно и частичной заделки их почвой. По конструкции сошники бывают
наральниковые, коробчатые и дисковые.
А. Наральниковые сошники
Наральниковые сошники известны двух типов: анкерные – с острым углом вхождения в почву (рис. 3.12а) и килевидные – с тупым (рис. 3.12б). Сошники состоят из двух основных частей: наральника или лемешка 1, образующего борозду, и воронки 2, через которую семена из семяпровода поступают в бороздку. Воронка служит также для соединения сошника с рамой машины и с регулировочными механизмами.
а – анкерный; б – килевидный; в – к обоснованию формы лобового профиля
Рис. 3.12. Наральниковые сошники сеялок: 1 – лемешок (наральник); 2 – воронка; 3 – кронштейн
219
Наральник анкерного сошника представляет собой клин с углом  


и углом
2

(рис. 3.12в). Бороздкообразование состоит в рыхлении почвы с переме2
щением её вверх, вперёд и в стороны; в результате перед сошником образуется
предсошниковый холм (рис. 3.13а). Ширина предсошникового холма определяет расстановку сошников в одном ряду в поперечном направлении, т.е. bс>Вх,
где bс – расстояние между сошниками и Вх – ширина предсошникового холма.
Рис. 3.13. Схемы бороздкообразования
При bc≤Вх предсошниковые холмы смыкаются, образуя сплошной валок почвы,
происходит сгруживание почвы, способствующее забиванию сошников, и процесс бороздкообразования нарушается. По опытным данным для сошников с
острым углом вхождения в почву значение bc следует принимать не менее 20
см.
Анкерные сошники с тупым углом вхождения при работе раздвигают
почву и вдавливают её вниз (рис. 3.13б), в результате чего дно и стенки бороздки уплотняются, предсошниковый холм сводится до минимума и значение
bс может быть уменьшено до 15 см.
Профильная линия наральника анкерных сошников криволинейная в виде
логарифмической спирали:
S  S 0e tg  0  ,
где
(3.44)
S0 – расстояние между начальной точкой кривой (носком сошника) и осью
подвеса (рис. 3.12 в);
θ0 – угол наклона этой прямой к вертикали, проходящей через ось подвеса
θ0=60 …70°;
S и θ – соответствующие координаты любой точки профильной кривой
220
относительно оси подвеса сошника в линейных (S) и угловых (θ) значениях определяются на предварительно выполненной схеме (рис. 3.14);
φ – угол внутреннего трения почвы;
е – основание натуральных логарифмов.
Касательная к кривой в точке носка должна быть наклонена к горизонту
под углом αс=33…59°.
Форма профильной линии наральников килевидных сошников тоже
должна иметь вид логарифмической спирали, повёрнутой на 180° вокруг вертикальной оси, но углы 0 отсчитываются от горизонтали, проходящей через ось
подвеса. Беря некоторые начальные значения θ0, φ и S0 и интервалы изменения
угла θ, по формуле (3.44) определяют S для нескольких точек кривой и по ним
очерчивают кривую.
Высота наральника hл не должна быть меньше максимальной глубины бороздки аmах (рис. 3.12а) с учётом высоты предсошникового холма
hx=(0,5…0,8)amax) и запаса над поверхностью холма Δhл=2…3 см, т.е.
hл  amax  hx  hл .
(3.45)
Боковые щёки наральника от передней профильной линии до края и заднего обреза делают такой длины, чтобы они удерживали от осыпания в бороздку почву до того момента, пока семена не лягут на чистое дно её, т.е. несколько
больше зоны рассеяния семян в бороздке. Желательно, чтобы наральники имели удлинённые щёки. Нижние обрезы щёк обычно скошены, и максимальная
длина их над дном бороздки равна 1/3…1/2 её глубины; благодаря этому семена
закрываются почвой из нижних слоев, а сверху – более сухой из верхних слоев.
Иногда нижние обрезы щёк опускают до дна бороздки.
Полная высота сошника
H c  amax  hx  hг  hп  hк ,
hг – зазор между поводком и вершиной предсошникового холма,
hг=10…15 см (для коробчатых сошников hг=2…3 см);
hп – ширина поводка;
hк – высота воронки сошника над поводком, hк=5…10 см.
Ширина лемешка анкерного сошника bл должна соответствовать ширине
бороздки, т.е. bл=bб. В сошниках для высева мелких и средних семян
bл=150…200 мм. Воронка сошника конусообразной формы, нижняя часть её такой же ширины, что и лемешок, а кверху она расширяется так, чтобы между её
где
221
стенками свободно проходил семяпровод. В обычных анкерных сошниках ширина воронки по верхнему краю колеблется от 45 до 125 мм, в коробчатых –
150…200 мм.
Длина коробчатого сошника (рис. 3.14)
Lc  lбс  lпс  lнк  lнс  lрс  lзс ,
где
(3.47)
lбс – вылет нижней части сошника относительно верхнего обреза
lбс  H cctg ;
(3.48)
lпс – расстояние от верхней передней кромки сошника до перегородки
lпс 
Bc
ctg 0 ;
2
(3.49)
lнк – расстояние от перегородки до нижнего края семяпровода в проекции
на горизонтальную плоскость;
lнк  hк tg с ;
(3.50)
lнc – размер выпускного окна семяпровода;
lрс – размер, учитывающий разброс семян, lрс=(0,1…0,2) lнс;
lрс – величина захода почвенных осыпей в полость семяпровода
lзс  amax ctg ;
(3.51)
ψ – угол естественного откоса почвы, ψ=30…40°.
Рис. 3.14. Схема к расчёту параметров сошника
Задние обрезы коробчатых сошников рекомендуют принимать вертикальными, а в анкерных нижний обрез щеки имеет вырез, который позволяет
осуществлять первоначальное засыпание семян более влажными слоями почвы.
Принимают следующие параметры выреза (рис. 3.14): lпр=(1,0…1,5)а; hпp=0,5а.
Задний обрез у анкерных сошников делается с наклоном назад под углом
222
γ=2…8°, что предотвращает попадание на дно борозды сухих комков с поверхности поля, в момент заделки семян.
Длина анкерного сошника
Lс  lпс  lпр  lзщ ,
где
(3.52)
lзщ – размер, учитывающий наклон заднего обреза
lзщ  amax  hпр  hx sin  .
Б. Дисковые сошники
Они могут быть двудисковые и однодисковые. Наибольшее распространение получили двудисковые. Каждый из них состоит из двух плоских дисков (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Двухдисковый сошник
Диски устанавливают под углом 2γ друг к другу. Точка касания m краёв
дисков находится в передней части сошника на некоторой высоте над уровнем
почвы для того, чтобы при максимальном заглублении дисков верхние слои
почвы не могли осыпаться в борозду сквозь зазор между краями дисков выше
точки касания. Высота точки касания, определяемая углом α, влияет и на ширину борозды bб. Из треугольника M cf имеем
cf 
bб
 M f sin  , но M f  M O - fO  R - R cos  ;
2
тогда
bб  2 R 1- cos  sin  .
(3.53)
223
Диаметр диска выбирают по известной зависимости D=кa, где a – максимальная глубина борозды и к=4…7 – коэффициент использования диаметра
диска. Для D=350…400мм и γ=5…7° ширина борозды будет около 2 см. Расстояние между дисками в верхней части B=2Dsinγ, оно должно быть достаточным для того, чтобы между дисками поместились нижняя часть воронки сошника, конец семяпровода и отражательная доска. В сошниках, применяемых для
высева мелких семян, диаметр диска 350…400мм; 2γ=10…15°; В=70…120мм.
Сошники присоединяются к раме жёстко или шарнирно. В последнем
случае сошник образует бороздку одинаковой глубины на всём её протяжении,
так как приспособляется к микрорельефу поверхности почвы, т.е. имеет свободные колебания в вертикальной плоскости. Жёсткое крепление сошников
применяют в сеялках с небольшой шириной захвата, одно – двухрядных.
В. Устойчивость сошников
На равномерность глубины укладки и заделки семян оказывает большое
влияние устойчивость хода сошников. Она зависит от системы крепления сошников к раме и от направления действующих на сошник сил. Система крепления индивидуально-поводковая, одношарнирная.
При поступательном установившемся движении сеялки на сошник действуют три силы (рис. 3.16): вес сошника с поводком, равнодействующая G
которого приложена к центру тяжести системы; сила общего сопротивления R
направлена против движения и вверх под некоторым углом α к горизонту; сила
тяги Р, проходящая через точку О подвеса поводка. При установившемся движении сошника указанные силы находятся в равновесии.
Рис. 3.16. Схема сил, действующих на сошник
Силы R и Р являются равнодействующими своих составляющих:
224
R  R1  R2  R3 ,
где R1 – сопротивление почвы горизонтальному движению сошника (направление горизонтально назад);
R2 – реакция дна борозды (направлена вертикально вверх);
R3 – реакция пласта почвы, который сдавливает рабочая поверхность наральника сошника (направлена перпендикулярно к рабочей поверхности наральника).
Силу тяги можно представить как равнодействующую вертикальной реакции P1 сошникового бруса и горизонтальной составляющей Р2 силы тяги. Для
равновесия сошника при работе равнодействующая S сил G и R должна быть
равна силе Р, но противоположно направлена и должна проходить через шарнир О подвеса поводка. Для равновесия также должно быть выдержано условие
равенства моментов
Rr - Gl  0.
Таким образом, для равновесия сил G, R и Р необходимо создать такие
условия, при которых изменения указанных сил были бы минимальными.
С изменением почвенных условий меняется значение силы R и, следовательно, момент Rr, и глубина хода сошника не будет оставаться постоянной.
Вследствие непостоянства сопротивления R условие равновесия сошника непрерывно нарушается. Его можно соблюдать только при хорошо обработанной
почве, с равномерной разделкой пласта по глубине хода сошника.
Г. Заделывающие рабочие органы
В качестве почвозаделывающих рабочих органов на сеялках применяют
лемешные (пластинчатые) загортачи, катки и шлейфы разных типов.
Лемешные загортачи – это две пластины, устанавливаемые позади сошника под углом к направлению движения (рис. 3.17). Их применяют, когда
сошник образует широкую борозду, закрытие которой от осыпания стенок недостаточно.
225
Рис. 3.17. Схема к расчету параметров загортачей
Высота загортачей должна быть достаточной, чтобы через верхний их
край почва не пересыпалась обратно, и равна
H з  hx  hx  C1 ,
где
(3.54)
hx – высота холмиков, образованных после прохода сошников по краям
бороздок,
hx  0,3 a  bб tg  0,1bб tg
(3.55)
а – глубина бороздки;
bб – ширина бороздки
ψ – угол естественного откоса почв, ψ=35…40°;
Δhx – наращивание высоты холмика при воздействии загортачей.
Δhx=1…3 см;
C1 – запас по высоте, C1=1…2 см.
Длина загортача определяется из выражения
Lз 
bx  bx  c2  bб  b1 
,
sin  з
bх – ширина холмика;
Δbх – наращивание холмика при воздействии загортачей, Δbх=1…3 см;
c2 – запас по ширине захвата, c2=1…3 см;
b1 – расстояние между задними концами загортачей, b1=(0,8…1,2)bб;
αз – угол установки загортачей относительной стенки бороздки,
αз=25…30°.
Нижнюю
переднюю
грань
загортачей
закругляют
радиусом
r=(0,3…0,4)hз. Высоту стойки загортача выбирают по конструктивным сообгде
226
ражениям, hст=(2…3)hз. Стойку приваривают к тыльной стороне лемешка на
расстоянии lст=(0,5…0,7)lз от его носка.
Катки могут быть одиночными с вогнутым ободом, двойные с наклонным
ободом и двойные с плоским ободом и наклонными осями, применяют их как
заделывающие и как уплотняющие рабочие органы. Применяют катки с жёстким и обрезиненным ободом.
Степень уплотнения почвы (плотность рекомендуют в пределах 1,1…1,3
3
г/см ) зависит от нагрузки на каток, от его диаметра, ширины обода и свойств
почвы и определяется глубиной колеи. Для определения глубины колеи колеса
h обычно пользуются формулой
9G 2
h
,
4 B 2 Dq
3
где
G – нагрузка на колесо;
В и D – ширина и диаметр обода катка;
q – удельная нагрузка, q=10…20 кПа.
3.8 Вспомогательные части сеялок
А. Передаточные механизмы
В современных посевных машинах движение на валы высевающих аппаратов передаётся от ходовых, опорно-приводных колёс или от прикатывающих катков. На сеялках с высевающими аппаратами, у которых норма высева регулируется изменением длины рабочей части катушки (аппараты со
сдвигаемыми катушками), применяют зубчатые, цепные или зубчато-цепные
передачи. Цепные передачи применяют чаще всего в случаях, если расстояние
между осью колеса и валом высевающих аппаратов слишком велико.
При выборе типа передачи следует учитывать возможность регулирования частоты вращения высевающих аппаратов, необходимость строгого соблюдения расчетной величины передаточного числа, направления вращения катушек высевающего аппарата по отношению к ходовому колесу.
Передаточное число механизма привода подбирают с учётом минимальной и максимальной норм высева: максимальное передаточное число
227
imax 
Qmax BлDc
,
10qZ 1   
Qmax – максимальная норма высева, кг/га;
Вл – ширина захвата сеялки м;
Dc – диаметр опорно-приводного колеса, м;
q – масса семян, высеваемых за один оборот катушки при максимальном
открытии, г;
Z – число высевающих аппаратов,
ε – коэффициент скольжения колёс;
минимальное передаточное число
Q B D
imin  min л c
10qZ 1   
где
В сеялках с высевающими аппаратами, у которых норма высева регулируется изменением частоты вращения катушки (аппараты с нес двигаемыми
катушками), применяют более сложный комбинированный механизм передачи.
Он обычно состоит из основной зубчатой или цепной передачи с приводом от
опорных колёс сеялки и коробки скоростей, устанавливаемой между осью
опорных колёс и валом высевающих аппаратов.
Б. Механизмы подъёма и регулирования глубины хода сошников.
В сеялках с жестким креплением сошников к раме, сошники устанавливают на требуемую глубину прокладки посевной борозды и в нерабочее положение, перемещая его вверх или вниз по кронштейну, на котором он укреплён, и фиксируя на определённой высоте винтом. В сеялках с опорным колесом глубину борозды регулируют перестановкой колеса.
Для подъёма и опускания сошников сеялок с индивидуально-поводковой
системой крепления используют рычажные механизмы (рис. 3.18). В этой конструкции сошники или их поводки соединены штангами с вилками подъёмного
вала, опирающегося на подшипники, установленные на раме. На валу закреплён
рычаг, а на раме сектор. При повороте рычага вращается вал с вилками, сошники поднимаются или опускаются. Положение рычага фиксируется защёлкой на
том или ином делении сектора.
228
Рис 3.18. Схема одношарнирного крепления сошников и рычажного механизма
1 – сошник; 2 – грядиль сошника; 3 – загортачи; 4 – штанга с нажимной причиной; 5 – рычаг подъёмного механизма; 6 – вилка подъёмного вала; 7 –
подъёмный вал
В некоторых конструкциях тракторных сеялок для регулирования заглубления сошников применяют винтовые механизмы, действие которых аналогично действию механизмов культиваторов.
ЛЕСОПОСАДОЧНЫЕ МАШИНЫ
3.9 Общее устройство и классификация лесопосадочных
машин
Для машинной посадки используют одно-двухлетние сеянцы, трёхпятилетние саженцы или укрупнённые сеянцы, выращенные в разреженных посевах без перешколивания, а также черенки-отрезки побегов диаметром до
1,0…1,5 и длиной 30…40 см. В отдельных случаях размеры саженцев достигают 2,5 м, а черенков – 1,0 м.
В соответствии с государственным стандартом сеянцы должны иметь
ровный прямой стволик и хорошо развитую корневую систему. У сеянцев корневая система должна быть длиной 22…25 см и стволик высотой от 10 до 50 см
для первого сорта и соответственно 18…20 см и от 6 до 20 см – для второго.
Минимальным для машинной посадки следует считать нижний предел высоты
сеянцев второго сорта. Диаметр поперечного сечения кроны может изменяться
229
от 3,4 до 14…16 см. Таков же диаметр поперечника кроны. Наряду с посадочным материалом с открытой корневой системой применяют сеянцы с закрытой
корневой системой, помещая корни в брикетах и капсулах различных размеров.
Лесные культуры создают, в основном, посадкой сеянцев и саженцев в
различных условиях: на равнинных и горных вырубках, на сельскохозяйственных землях и открытых овражно-балочных и горных склонах, на почвах
дренированных, временно переувлажняемых, избыточно увлажненных, с древесными и каменистыми включениями, бугристых и подвижных песках. Сеянцы с закрытой корневой системой высаживают на вырубках с избыточноувлажнёнными почвами и на горных склонах с каменистыми почвами. Всё
это вызывает достаточное большое разнообразие лесопосадочных машин.
Рабочие органы любой лесопосадочной машины и конструкция её в целом должны быть приспособлены для посадки сеянцев, саженцев и черенков,
имеющих формы и размеры в пределах, приведённых выше, при полном сохранении жизнеспособности растений.
Процесс посадки складывается из приготовления посадочного углубления, опускания в углубление растений корнями вниз, засыпания их почвой и
уплотнения её. Для посадки применяют лесопосадочные машины, выполняющие все операции, а также ямокопатели и моторизованные буры, выполняющие одну операцию – приготовление ям (посадочных углублений).
Посадочное углубление при посадке лесопосадочной машиной создаётся
ее рабочим органом – сошником, как правило, в виде непрерывной открытой
борозды, глубина и ширина которой соответствуют размерам корневой системы
сеянцев, саженцев. В ряде зарубежных стран (Австрия, Канада) применяют машины точечной посадки (например, «Квиквуд», Австрия), т.е. дискретного действия.
Подают сеянцы, саженцы или черенки в бороздку специальные посадочно-подающие механизмы, но есть машины, в которых такие механизмы отсутствуют и растения подаются вручную. Засыпают корни в борозде и уплотняют почву бороздозакрывающие (заделывающие) рабочие органы – катки,
диски, загортачи. Для создания запаса посадочного материала на раме машины
установлены специальные ящики – бункеры.
Рабочие органы лесопосадочных машин можно разделить на основные –
сошник, посадочный аппарат, заделывающие катки; вспомогательные – нож че-
230
ренковый или дисковый, установленный перед сошником, загортачи, чистики,
приёмный столик; механизмы – приводы посадочного аппарата, регулирования
глубины хода сошника, момента закрытия и раскрытия захватов посадочного
аппарата. Для сажальщиков на раме установлены сиденья и подножки. В некоторых лесопосадочных машинах имеются балластные ящики, пружины для дополнительного нагружения заделывающих катков.
3.10 Сошники
Для образования борозд служат анкерные, килевидные и дисковые сошники. Анкерные сошники имеют острый угол вхождения в почву и состоят
(рис. 3.19) из стойки криволинейной формы. К стойке жёстко присоединены
две боковые пластины – щёки, образующие коробку. В некоторых конструкциях к нижней части стойки устанавливают лемешок или наральник. Образование борозды состоит в рыхлении почвы, подъёме её вверх и раздвижении в стороны. По обе стороны борозды образуются гребни рыхлой почвы, с которых
почва частично осыпается на дно борозды.
Рис. 3.19. Основные параметры анкерного коробчатого сошника
При образовании сошником борозды не должно нарушаться расположение почвенных слоев, т.е. высохшие частицы почвы из верхних слоев не
должны попадать на дно борозды. Это возможно в том случае, если угол наклона профильной линии сошника к горизонту α в любой точке будет меньше угла
231
трения почвы по металлу φ. Такое условие выполняется, если профильную линию передней грани сошника очертить по кубической параболе
y  px3 ,
(3.57)
у – вылет точки кривой от начала координат, максимальным у будет для
нижней точки кривой – носка сошника;
х – расстояние от поверхности почвы до точки кривой, расположенной на
высоте в пределах глубины «а»;
р – коэффициент, р=0,0003…0,0005. При значениях, больших 0,0005, носок сошника сильно удлиняется, выступая вперёд, что снижает его прочность. При р<0,0003 кривая слишком крутая, из-за чего ухудшается заглубляемость и самоочищение сошника.
Сорняки, извлекаемые сошником из почвы, повисают на стойке и сдвигаются вверх реактивными силами, возникающими при движении сошника. С
целью предотвращения забивания остатками травянистой растительности стойки в верхней её части перед сошником устанавливают дисковый или черенковый нож.
Передняя часть стойки клиновидная, угол при вершине 2θ=30…60°.
где
Рис. 3.20. Стойка (поперечное сечение)
При больших величинах угла 2θ впереди клина образуется уплотнённое
ядро почвы, перемещающиеся вместе с ним; при меньшем возрастают силы
трения. В обоих случаях увеличиваются тяговые сопротивления сошника. Длина боковой поверхности стойки
lк  bк / 2 sin  ,
где bк – ширина стойки.
В свою очередь
bк  dк - 2 ,
где
dк – диаметр корневой системы;
δ – толщина боковых стенок сошника, δ=4…5 мм.
Боковые стенки коробки сошника должны быть параллельны направ-
232
лению движения. Длина стенок должна быть достаточной, чтобы предохранить
стенки борозды от осыпания до момента ввода корневой системы сеянца или
саженца в борозду.
Ширина коробки сошника (по верху) должна быть достаточной для свободного размещения корневой системы растения, опущенного в сошник и перемещаемого в борозду. Корневые системы чаще всего имеют форму конуса,
обращенного вниз. Поэтому целесообразно, чтобы коробка сошника имела
меньшую ширину внизу и большую – вверху. Такая форма сошника обеспечивает меньшее уплотнение нижней части стенок борозды.
Ширину коробки по дну борозды b1 принимают равной минимальной
ширине борозды (6…8 см). Ширина у поверхности почвы b2 принимается по
формуле
b
c 
b2   1 
а ,
2
K

см 
(3.58)
а – глубина борозды;
Kсм – коэффициент сопротивления почвы смятию, Н/см2;
с – коэффициент пропорциональности, характеризующий степень изменения сопротивления почвы сдвигу и смятию стенками коробки сошника с увеличением глубины, Н/см2.
Для рыхлых почв с=0,12…0,15 Н/см2 и Kсм=5 Н/см2. Для сошников лесопосадочных машин, образующих глубокие борозды, целесообразно принимать
с/Kсм=0,005…0,075. При этом угол наклона боковых стенок к вертикали
β=2…4°.
Выше уровня поверхности почвы ширину коробки иногда делают больше
найденной по формуле для того, чтобы в неё свободно входил зажим или рука
человека при ручной подаче.
Длину боковых стенок lб устанавливают исходя из того, чтобы за время
движения в коробке сошника корневая система полностью расправлялась и все
корешки приняли своё нормальное положение, lб≥2dк. В существующих сошниках lб=25…40 см.
Задний обрез боковых стенок делают с наклоном назад или так, чтобы
корни засыпались почвой снизу вверх по мере выхода сеянца из коробки. Величина вылета верхней точки обреза относительно нижней Δl=dк. Угол наклона
заднего обреза боковых стенок к горизонту γ определяется отношением
где
233
tg  l H max ,
где
Hmax – максимальная высота сошника в передней части,
H max  a  hx ,
hx – высота предсошникового холма, которая зависит от типа и состояния
почвы и конструктивных элементов сошника. На рыхлых лёгких почвах и
супесях hx=12…14см, снижается до 0 на расстоянии 20…23 см от стойки
сошника. На вырубках hx=8…10 см.
Высота сошника заднего обреза боковых стенок Н может быть принята
равной Нmах или меньшей на 3…5 см.
Бороздной обрез сошника должен быть установлен под углом к дну борозды, и задняя точка должна отстоять от дна борозды на Δа=1,0…1,5 см.
Глубина борозды устанавливается исходя из размеров сеянцев и саженцев
и находится по формуле
a  Lк  l1  l2 ,
Lк – длина корней высаживаемых растений;
Δl1 – просвет, остающийся между поверхностью дна борозды и нижними
концами корней, Δl1=2…5см;
Δl2 – глубина заделки корневой щеки растения, Δl2=3…5 см. На вырубках
почвы, как правило, плотные и тяжёлые. В связи с этим при посадке в
нижней части борозды образуются крестовины. С целью предотвращения
образования кротовин (воздушных пустот) на боковых стенках сошника
устанавливают дополнительные рыхлители (рис. 3.21а) в один–два яруса (
в зависимости от глубины посадки).
Рыхлители выполнены в виде треугольных пластин, установленных под
углом к стенке борозды и к горизонту. В обоих случаях угол наклона должен
быть меньше угла трения почвы по стали, т.е. β≤φ.
При образовании посадочной борозды поперёк склонов обычными анкерными сошниками симметричной формы вытесняемая ими почва большей
частью скатывается вниз по склону. В результате не хватает почвы для заделки
корневой системы высаживаемых растений и, как следствие, качество посадки
низкое. Исключение этих недостатков решают двумя путями.
где
234
Рис. 3.21. Сошники с дополнительными устройствами
Первый путь – применяют сошник с поворотной грудью, придавая ему
асимметричную форму (рис. 3.21б). Плоская сторона располагается с нижней
по склону стороны. Вытесняемая из борозды почва сдвигается в одну сторону вверх по склону и за задним обрезом сошника обрушивается и полностью заполняет борозду.
Второй путь – образование микротеррас шириной 0,5…0,7 м специально
установленным перед сошником отвалом под углом к направлению движения.
В результате создаются равнинные условия для работы сошника, посадочного
аппарата и заделывающих катков. В этом случае рама лесопосадочной машины
занимает горизонтальное положение, а брус навески положение, параллельное
поверхности склона. Соединение рамы с брусом навески выполняют с возможностью поворота рамы на продольной оси, проходящей через брус. Поворот
оси, а следовательно, рамы производят с помощью выносного гидроцилиндра,
приводимого в действие от гидросистемы трактора.
В связи с автоматизацией подачи растений в захваты посадочного аппарата, т.е. с заменой сажальщиков автоматами подачи, стало возможным увеличить рабочие скорости лесопосадочных агрегатов в 2…3 раза. Для обеспечения высокого качества посадки на повышенных скоростях в нижней части боковин сошника устанавливают специальные заделывающие элементы, которые
при движении машины подают почву из нижних слоев и заполняют борозду с
размещёнными в ней корнями растений наиболее влажной почвой (рис. 3.21в).
3.11 Посадочные (подающие) механизмы
Каждый посадочный механизм имеет три составные части: устройства
235
для приёма и удержания растения – зажимы, карманы или диски; устройства
для транспортирования зажимов по определённой траектории с установленной
скоростью и приспособления для открытия и закрытия зажимов.
Работа механизма должна удовлетворять определённым требованиям:
удерживать растение в зажиме до момента посадки, не повреждать их, подавать
корни на установленную глубину без поворотов. Необходимо, чтобы после посадки растения сохраняли вертикальное положение. Допускаются отклонения
от вертикали на угол до 30°. Механизм должен обеспечивать заданный шаг посадки с допустимым отклонением до 10%.
По конструкции посадочные механизмы делятся на ротационные, ротационно-рычажные, дисковые. Последние в настоящее время получают все
большее распространение. Известны также рычажные, гравитационные и пневматические.
Основным условием нормального размещения корневой системы растения в почве является обеспечение в период заделки корней нулевой скорости
растения относительно дна борозды, т.е. Vаг  Vокр , где Vаг – скорость поступательного движения лесопосадочного агрегата, Vокр – окружная скорость захвата
сеянцев. По направлению она противоположна движению агрегата (рис. 3.22).
Это равенство скоростей будет иметь место только в самой нижней точке. В
начале пути заделки Vаг  Vокр  cos 1  Vаг , и поэтому сеянец протаскивается
  Vаг  Vокр  cos 1.
вперёд со скоростью Vгор
Рис. 3.22. Схема посадочного аппарата
Vверт
Одновременно с этим он перемещается вниз со скоростью
  Vокр  cos 2  Vаг
 Vокр  sin  и деформируется. В конце пути заделки Vгор
236
и здесь также происходит протаскивание сеянца вперёд со скоростью
  Vаг  Vокр  cos 2 и одновременно со скоростью Vверт
  Vокр  sin  2 .
Vгор
Из этого видно, что сеянец должен быть освобождён захватом в момент
его крайнего положения и именно в этот момент должна быть подана почва для
заделки корневой системы. Только в этом случае обеспечивается вертикальная
посадка.
С учётом этих особенностей движения сеянца необходимо при проектировании ротационного посадочного аппарата подобрать такие его параметры,
при которых отклонения сеянца от вертикального положения и по глубине посадки будут незначительными и не окажут существенного влияния на качество
посадки.
Исходные данные для расчёта: m – шаг посадки, м; t – время, затрачиваемое на подачу одного сеянца или скорость движения агрегата, t=2 с; параметры посадочного материала. Порядок расчёта следующий.
Определяют скорость движения агрегата. При двух сажальщиках на машине
Vаг  2m t .
Вычисляют радиус окружности захватов
Rз  S  ,
где
(3.59)
S – отрезок траектории движения сеянца, на котором осуществляется заделка его корней рыхлой почвой, S  2...3d к ;
α – угол поворота захвата за время заделки сеянца (в радианах), α≤30°.
Находят число захватов
2Rз
Z
.
(3.60)
m
Найденная величина округляется до целого числа, после чего корректируется значение радиуса захвата.
Рассчитывают частоту вращения посадочного аппарата
V
na  окр .
(3.61)
2Rз
Определяют передаточное число от ходового колеса или заделывающего
катка до посадочного аппарата. Из условия Vаг  Vокр следует
2Rxк nxк  2Rз nа ,
237
где
Rxк – радиус ходового колеса;
nхк – частота вращения ходового колеса;
η – коэффициент скольжения, η=0,9.
Отсюда
n  R
i  xк  з .
na
Rхк
Параметры самого зажима могут быть ориентировочно взяты в таких
пределах: длина рамки lр=(0,25…0,5)lс и ширина bр=dк, где lс – длина стволика
сеянцев, саженцев; dк – диаметр кроны.
Для обеспечения установленной глубины посадки сеянец должен лежать
в зажиме так, чтобы корневая шейка находилось от края на расстоянии
c  hз  l2 ,
где
Δhз – зазор между наружным краем зажима и поверхностью почвы на пути шейки заделки, Δhз=3…5 см;
Δl2 – глубина заделки корней шейки сеянцев (устанавливается лесотехническими требованиями).
Высота рамы машины Нр над поверхностью почвы при заглубленном
сошнике равна:
H p  Rз  hb  hp  hз ,
(3.62)
где
Δhb – высота центра вала аппарата над рамой машины;
hp – высота бруса рамы машины.
В процессе работы на вал посадочного аппарата действуют сила Рзах, необходимая для раскрытия захватов, и сила натяжения цепи или, при использовании зубчатого привода, сила давления в зоне контактов зубьев, который образует крутящий момент, равный 35…50 Н∙м. Приняв значение крутящего момента, производят известными методами расчёт диаметра вала посадочного аппарата и реакции в опорах, по которым затем рассчитывают подшипники вала.
Дисковый посадочный аппарат состоит из двух эластичных дисков и устройств для разъединения дисков при захвате сеянцев и высадке их в борозду.
Диаметр дисков рассчитывают аналогично определению радиуса ротационнолучевого аппарата. Толщина дисков на резиновой основе составляет 15…20 мм.
Гравитационный посадочный аппарат основан на перемещении сеянцев в
борозду под действием собственной силы тяжести. Такие аппараты применяют
238
в лесопосадочных машинах для посадки сеянцев с закрытой корневой системой. Они представляют собой трубу, нижний конец которой устанавливают в
сошник. Параметры поперечного сечения сошника должны соответствовать
размерам брикета или капсулы, в которых размещена корневая система сеянцев.
3.12 Рабочие органы для заделывания корней
Заделывание корней сеянцев и саженцев, опущенных в борозду, состоит в
засыпании их почвой с последующим уплотнением. В некоторых конструкциях
лесопосадочных машин засыпают одни рабочие органы, а уплотняют другие. В
большинстве машин эти операции выполняют одни и те же рабочие органы –
катки или при посадке на подвижных песках – заделывающие элементы в виде
поставленных под углом пластин. Преимущество первой раздельной схемы в
том, что специализированные рабочие органы могут выполнять отдельные операции более совершенно, но конструкция машины усложняется. При использовании второй схемы конструкция машин упрощается
Заделывающие рабочие органы любой формы должны обеспечивать полное и равномерное засыпание корней по всей глубине борозды так, чтобы не
оставались пустоты вокруг корней, и так уплотнять почву, чтобы все корешки
полностью вошли в достаточно тесное соприкосновение с частицами почвы, но
без сплющивания, изгибов, разрыва и других видов деформации. О качестве заделки судят по твёрдости почвы в зоне расположения корней, которая должна
составлять 12 Н/см2 на лёгких и 25 Н/см2 на тяжёлых связных почвах.
Передние загортачи в виде прямоугольных пластин устанавливают перед
катками под углом к направлению движения агрегата θ≤φ, где φ – угол трения
почвы по стали. Длины L3 и высота h3 пластин зависят от глубины и ширины
посадочной борозды. h3=0,2а; L3=(2,5…3,0)h3.
Задние загортачи выполняют в виде пластин значительно меньших размеров или в виде цепного шлейфа. Их задача – засыпать колею уплотняющих
катков и выровнять поверхности почвы.
Уплотняющие или почвозаделывающие катки по своей форме бывают
конические, цилиндрические с металлическим ободом и на пневматических
шинах. Рабочая поверхность катка (обод, протектор шины) наклонена к поверх-
239
ности почвы с тем, чтобы сдвигать к центру борозды и в этом же направлении
уплотнять почву. В связи с этим устанавливают конические катки на горизонтальных и наклонных осях вращения, цилиндрические и пневматические – на
наклонных осях (рис. 3.23).
а – конические с горизонтальной осью вращения; б – цилиндрические;
в – конические; г – пневматические с наклонной осью вращения
Рис. 3.23. Катки лесопосадочных машин
Под действием нагрузки Q катки заглубляются в почву. В зоне контакта
рабочей поверхности катка с почвой частицы почвы смещаются в направлении
действия силы Р, отклонённой от нормали к поверхности катка на угол трения
φ, и силы Т, действующей поперёк обода. В результате почва в зоне кnm (рис.
3.23а) не уплотняется. Кроме того, под действием силы Т почвенные частицы
скользят вверх по рабочей поверхности, что увеличивает разрыхление почвы и
подъём её выше линии кn. Чем больше конусность, тем больше разрыхление
почвы и будет больше высота h неуплотнённого слоя в межкатковом пространстве.
1
h1  sin    .
2
Уменьшить высоту неуплотнённого слоя почвы возможно за счёт уменьшения расстояния между катками и наклона рабочей поверхности катка к горизонту. Уменьшая расстояние между катками, следует учитывать такой фактор,
как сдвиг почвы катком в направлении движения.
Колееобразование сопровождается не только перегруппировкой почвенных частиц и уплотнением, но и разрыхлением верхнего слоя и образова-
240
нием перед катком почвенной волны. При малом расстоянии между катками
почвенные волны от каждого из них смыкаются в центре борозды, образуют
единую волну, в результате чего происходит протаскивание сеянцев. Это сопровождается обрывом мелких корешков, наклоном сеянцев в направлении
движения агрегата и нарушением глубины заделки корневой шейки сеянцев.
В силу этих причин в конструкции большинства лесопосадочных машин
применяют катки с плоским ободом на осях, устанавливаемых под углом
β=15…20°. Расстояние между катками принимают: l=10 см – при работе на вырубках и плотных почвах; l=13…15 см – на лёгких почвах. При применении конических катков l возрастает до 17…24 см.
Диаметр цилиндрических катков Dк=500…550 мм. При данных значениях
диаметра обеспечивается меньший сдвиг почвы в направлении движения и минимальная высота почвенной волны.
Ширина обода катка берётся в пределах 8…17 см, или в среднем 10…13
см. Меньшие значения для тяжёлых связных почв и вырубок, большие – для
лёгких малосвязных почв.
Нагрузку на каток определяют по формуле
2
Q  p0bк aк Dк aк ,
(3.63)
3
где р0 – коэффициент удельного сопротивления почвы, p0=3,5…5,0 Н/см2;
bк – ширина обода катка;
ак – глубина колеи, aк=3…7 см (меньшие значения для тяжелых почв,
большие для - легких).
Нагрузка при выбранных параметрах катка находится в прямой зависимости от глубины образуемой катком колеи и физико-механических свойств
почвы.
Катки с металлическим ободом имеют ряд существенных недостатков:
малая глубина уплотнения почвы и, как следствие, образование воздушных
пустот в нижней части борозды на тяжёлых связных почвах; образование почвенной волны перед ободом катка значительных размеров на рыхлых почвах;
большая высота неуплотнённого слоя почвы в межкатковом пространстве; налипание почвы на обод катка.
Катки на пневматических шинах свободны от перечисленных выше недостатков. Они, вследствие радиального сжатия шины, имеют большую пло-
241
щадь контакта с почвой и, следовательно, большее время воздействия на каждую почвенную частицу, чем катки с металлическим ободом; самоочищаются
от налипшей почвы. Коэффициент трения почвы по резине и тем более по протектору шины, имеющему углубления, заполненные почвой, значительно выше,
чем по металлу. Это снижает скольжение почвенных частиц по поверхности
протектора, и почвенная волна перед пневматической шиной имеет малые размеры. Шина, кроме радиального сжатия, при наклоне от вертикали подвергается боковому уводу в сторону центра посадочной борозды, перемещая этим самым в этом же направлении почвенные частицы верхнего слоя, одновременно
производя уплотнение.
Рекомендуется применять колеса на пневматических шинах для установки в лесопосадочных машинах в качестве уплотняющих катков. Внутренне
давление воздуха в камере шины 5…7 кПа при работе на рыхлых почвах и
20…25 кПа – на тяжёлых связных почвах и вырубках. Нагрузки на катки, расстояние между катками и угол наклона оси катка остаются такими же, как и при
применении катков с цилиндрическим жёстким ободом.
3.13 Кинематическая связь бороздообразующих и
почвозаделывающих рабочих органов
Заполнение борозды почвой вначале происходит за счёт осыпания за задним обрезом сошника, начиная снизу. Этому способствуют некоторые конструктивные элементы сошника, как конусность его поперечного сечения и выполнение заднего обреза с наклоном назад (рис. 3.19).
При осыпании под углом естественного откоса почва движется по наклонной поверхности со скоростью
sin    
(3.64)
V
gt ,
cos
где
β – угол наклона стенки борозды к горизонту;
φ – угол внутреннего трения почвы;
t – время;
g – ускорение силы тяжести.
В процессе осыпания каждая почвенная частица проходит путь
242
S
sin  -   2
gt ,
cos 
длина проекции которого на горизонтальную плоскость равна
S   S cos ,
(3.65)
(3.66)
ψ – угол естественного откоса.
Почвенные массы, осыпающиеся с обеих сторон, проходят путь, равный в
проекции половине ширины сошника, а при работе поперёк склонов – всей ширине, поскольку заполнение посадочной борозды происходит почвой из верхнего по склону бокового предсошникового холмика.
Так как процесс осыпания протекает во времени, в течение которого
сошник проходит путь со скоростью Vaг, то смыкание почвенных масс происходит на некотором расстоянии от заднего обреза сошника. Это расстояние возрастает при увеличении связности и влажности почвы и скорости движения агрегата.
При влажности связных почв около 30% посадочная борозда за сошником
остаётся открытой, так как осыпание почвы незначительно. При влажности
15,7…18,2%, ширине сошника 79 мм и скорости движения 1,8 км/ч волны осыпающейся почвы с обеих сторон смыкаются на расстоянии 85 мм от заднего
обреза сошника. В этих же условиях при скорости 3,6 и 7,7 км/ч расстояние
увеличивается и составляет соответственно 170 и 280 мм.
В свою очередь, перед ободом катка образуется уплотнённое ядро, направленное вперёд под углом к вертикали, при перемещении которого верхний
слой почвы, находящийся над ядром, испытывает напряжение растяжения,
поднимается вверх и разрыхляется. Это вместе со скольжением почвы по поверхности обода образует перед катком почвенную волну.
Таким образом, от сошника и уплотняющих катков в посадочную борозду
поступают два почвенных потока, направленные навстречу друг другу с различными скоростями. Скорость перемещения почвы катками зависит от скорости движения агрегата, и она может быть меньше или больше скорости осыпания. И от того, на каком расстоянии катки находятся от заднего обреза сошника, зависит, будет ли заполнена борозда почвой.
При приближении уплотняющих катков к заднему обрезу сошника почвенная волна, образуемая ими, будет препятствовать осыпанию почвы с боковых стенок борозды и при достаточно малом расстоянии будет исключена возгде
243
можность подачи её из боковых предсошниковых холмиков в борозду. Оптимальным расстоянием следует считать, когда почвенная волна от катков не
препятствует завершению процесса осыпания почвы с боковых сторон. Экспериментально установлено, что в этом случае расстояние между задним обрезом
сошника и проекцией горизонтального диаметра уплотняющих катков на уровне поверхности почвы при заглубленном сошнике должно составлять 150…180
мм (катки с жёстким металлическим ободом) и 130…150 мм (катки на пневматических шинах).
Во всех конструкциях лесопосадочных машин применяют шарнирное соединение катков с рамой с возможностью копирования микрорельефа поверхности почвы. Существует два типа шарнирного соединения – групповое и
индивидуальное. В первом варианте катки соединены между собой жестко, во
втором – независимо друг от друга, применяются в лесопосадочных машинах
для склонов.
244
Раздел четвертый
МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ СБОРА,
ПЕРЕРАБОТКИ И ОЧИСТКИ ЛЕСНЫХ СЕМЯН
МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ СБОРА СЕМЯН И
ПЛОДОВ
4.1 Способы сбора семян
Существуют несколько способов заготовки семян древеснокустарниковых пород: сбор семян с деревьев, срубленных во время лесозаготовительных работ; сбор опавших на землю семян и плодов (дуб, бук, орех грецкий, клен, вяз и др.); сбор семян, плодов и шишек хвойных пород с растущих
деревьев.
Последний способ может осуществляться по двум технологическим схемам: сборщик поднимается в крону дерева с помощью специальных устройств,
где срывает шишки руками или простейшими приспособлениями; сборщик, находясь на земле, забрасывает в крону приспособление для сбора шишек.
В районах, где созревание семян и раскрытие шишек, например, лиственницы сибирской, совпадает со сроками сбора, наиболее эффективен сбор семян
отряхиванием. Сущность способа заключается в следующем. Под кроной дерева расстилают полог и дерево приводят в колебательное движение. Для этого
используют вибраторы с направленным действием возмущающей силы.
4.2 Машины и механизмы для сбора лесных семян
А. Шнеко- и плодосъемные приспособления
При сборе шишек и плодов с деревьев применяют различные съемные
приспособления с ручным или механическим приводом. В первом случае они
состоят из рабочей головки и деревянного жеста или же из легкой трубчатой
металлической штанги, или могут иметь короткую рукоятку (при сборе шишек
и плодов с низкорасположенных или притянутых крючками ветвей). В приспо-
245
соблениях с механическим приводом используется электродвигатель постоянного тока 500 Вт или бензиновый двигатель с гибким приводом. Деревянные
жесты имеют длину 4…7 м, штанги для приспособлений с механическим приводом – 3 м.
По принципу устройства и способу отделения шишек и плодов от веток
различают следующие группы приспособлений: очесывающие или отрывающие, срезающие или откусывающие, откручивающие, спиливающие, стряхивающие и сбивающие.
Очесывающие или отрывающие приспособления представляют собой
гребенки или грабли, зубья которых имеют своеобразную форму. Расстояние
между зубьями устанавливается с таким расчетом, чтобы сравниваемые шишки
не проходили между ними. В нижней части рабочего органа подвешивают сетку или мешок для шишек.
К срезающим рабочим органам относятся секаторы-резаки с серповидными и фигурными ножами; секатор-крючок, с помощью которого пригибают
ветки и срезают шишки; секатор-сучкорез; садовый секатор-ножницы. Секаторы-резаки и сучкорезы крепятся на деревянных жестах длиной 3,5…6,0 м.
Приспособление откусывающего типа состоит из двух рамок – неподвижной и подвижной. Обе рамки имеют заостренные края, крепятся на деревянном шесте длиной 3 м. Рабочий, оттянув с помощью шнура подвижную
рамку, подводит мешок под шишку так, чтобы ее ножка легла на рамку, и резко
отпускает шнур. Под действием пружины подвижная рамка ударяет по ножке
шишки, перерубает ее, и шишка падает в мешок.
Шишкосъемник откручивающего типа в верхней части имеет шишкозахват в виде двух губок, быстро вращающихся в одном направлении вместе с
шишкой. Вращение производится от электродвигателя через привод в штанге.
При вращении шишки ножка ее разрушается, и шишка отделяется от ветки.
У шишкосъемника спиливающего типа рабочая головка представляет собой редуктор из пары конических шестерен, на выходном валу которого закреплен вращающийся пильный диск. Диск вращается от электродвигателя.
Шишко-плодосъемник отряхивающего типа представляет собой трубчатую штангу, внутри которой закреплен вал с эксцентрическим грузом в верхней
части. Над грузом на кожухе съемника имеется вилка, прижимаемая перед
встряхиванием шишек и плодов к плодоносящей ветке. При вращении вала и
246
эксцентрического груза с вилкой рабочая головка начинает вибрировать и грясти ветку, шишки и плоды отрываются от ветки и падают на землю или в подвешенный под рабочей головкой мешок.
Б. Подъемные приспособления
Способы подъема и приближения сборщиков к кроне дерева можно разделить на следующие группы: подъем по стволу с использованием специальных
приспособлений; подъем по приставленным или прикрепленным к стволу лестницам; подъем по приспособлениям, прикрепленным к ветвям кроны; подъем с
земли с помощью различных подъемных механизмов; спуск к кроне с помощью
вертолета, воздушного шара или аэростата.
В первых трех способах используют шиповые, веревочные и рамочные
копи, лазы, снабженные специальными захватами, древолазные чокеры, лестницы различных конструкций, лебедки, тросовые подъемники с блоками и полиспастами. Древолазные устройства не повреждают стволов, гарантируют
безопасность работы, позволяют сборщикам занимать удобные положения.
Для сбора семян, плодов и шишек с невысоких деревьев широко применяют лестницы. Пригодность их определяется длиной, легкостью, удобством
переноски и простотой изготовления. Лестницы могут быть одиночные, составные (из двух-трех звеньев), одноштанговые, деревянные, металлические, веревочные, надувные. Масса их от 30 до 60 кг при максимальной длине 8 м (длина
веревочной лестницы достигает 30 м).
Для подъема сборщиков в крону дерева применяют гибкие подвесные лестницы. При помощи огнестрельного пистолета или специального ружья перебрасывают через намеченный сук тонкий шнур, за который подтягивают лестницу.
В редкостойных древостоях, расположенных на площадях с относительно
ровным рельефом, на семенных плантациях применяют гидравлические и механические подъемники для приближения сборщиков к кроне деревьев, высота
которых не превышает 20…25 м. Подъемники устанавливают на автомобильных и тракторных шасси, они поднимают две люльки с одним рабочим в каждой из них.
В настоящее время перспективным направлением механизации являются
247
машины для сбора семян без подъема человека в крону дерева, отделяя плоды и
семена от ветвей сильной струей воздуха путем отсасывания. Плоды и семена,
отрываемые воздушным потоком от ветвей, всасываются через гибкие шланги с
наконечниками, которыми маневрирует сборщик в кроне, транспортируются в
циклон и оседают в бункере. Чистый воздух через воздухопровод выбрасывается наружу. По сравнению со сбором семян и плодов вручную пневматический
способ повышает производительность труда в 3…4 раза.
Следующим перспективным направлением является применение вибрации для отряхивания шишек, семян и плодов с растущих деревьев. Этот способ
пришел в лесное хозяйство из садоводства.
Вибраторы плодоуборочных машин могут быть подразделены на три основных типа – вибраторы постоянного смещения, инерционные вибраторы, импульсные вибраторы.
Вибраторы постоянного смещения в качестве исполнительного органа
могут иметь кривошипно-шатунный механизм, кулачок или гидродвигатель с
возвратно-поступательным движением штока. Привод кривошипно-шатунного
механизма может быть механическим или гидравлическим. Отличительная
особенность таких вибраторов – жесткое крепление корпуса вибратора на факторе. При этом амплитуда колебаний в процессе работы остается постоянной.
Главным недостатком подобных вибраторов является передача реактивных
усилий на трактор.
Инерционные вибраторы подразделяются на две подгруппы – инерционные вибраторы для колебаний ветвей и небольших штамбов (стволов) деревьев; инерционные вибраторы для колебания деревьев за штамб.
В инерционных вибраторах для колебания ветвей и штамбов диаметр до
140 мм в качестве исполнительного органа применяют кривошипно-шатунный
механизм, эксцентрик, два одинаковых неуравновешенных груза с зависимым
приводом, вращающихся с одинаковой скоростью в противоположных направлениях, или два неуравновешенных груза с независимым приводом, вращающихся с одинаковой скоростью в одном направлении.
Такие устройства для колебания ветвей (штамбов) принято называть отряхивателями турельного типа, так как промежуточный элемент между вибратором и захватом (стрела) закреплен на тракторе на специальном вращающемся
кронштейне, что значительно улучшает маневренность устройства при обхвате
248
ветви (штамба). Привод инерционных вибраторов производится гидромоторами.
В инерционных вибраторах для колебания деревьев используют кривошипно-шатунный механизм; один, два или несколько неуравновешенных
грузов, вращающихся с одинаковой или различной скоростью в одном или противоположном направлениях. Штамбовые вибраторы имеют самое широкое
применение во всех странах мира с развитым производством. Наибольшее распространение получили инерционные штамбовые вибраторы с двумя неуравновешенными грузами с зависимым приводом, вращающимися с одинаковой скоростью в противоположных направлениях. При вращении грузы создают силу,
действующую на дерево по одной линии, поэтому такие вибраторы называют
вибраторами направленного действия.
Подобный вибратор применен в вибрационной установке «Кедровка Е»
(рис. 4.1) для сбора кедровых шишек с растущих деревьев. Базой для нее служит экскаватор ЭО-2621 на колесном тракторе ЮМЗ-6ЛМ. На вертикальной
поворотной стойке экскаватора смонтирована стрела с вибратором и гидрозахватом. Частота колебаний 15,3 Гц, амплитуда 12 см в плоскости, перпендикулярной стволу дерева, за счет вращения в противоположные стороны одной или
нескольких пар неуравновешенных (эксцентрично закрепленных на валах)
масс. Диаметр обрабатываемых деревьев 18…60 см на высоте 3 м.
Рис. 4.1. Схема вибрационной установки «Кедровка Е»:
1 – гидрозахват; 2 – вибратор; 3 – поворотная стрела
Недостатком вибраторов с неуравновешенными грузами, вращающимися
с одинаковой скоростью в одном или противоположном направлениях, является
то, что они в процессе работы создают скручивающие усилия, которые могут
249
приводить к повреждению (сдвигу) коры штамба в месте ее обхвата зажимным
устройством вибратора. Для устранения этого нежелательного явления в некоторых конструкциях вибраторов между зажимами и деревом вводят смазку
(масло, отруби и др.) и почти во всех конструкциях применяют специальные
двухслойные прорезиненные фартуки, находящиеся между штамбом и зажимами вибратора.
Для исключения повреждений коры штамба в виде сдвига в последнее
время предложены новые вибраторы, у которых неуравновешенные грузы вращаются в вертикальной плоскости.
МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ И СОРТИРОВАНИЯ СЕМЯН
4.3 Физико-механические свойства семян и примесей
В результате переработки собранных или извлеченных из плодов семян
получается смесь, состоящая из чистых здоровых семян данной породы и примесей органического и минерального происхождения. К примеси относятся
также поврежденные (механически или биологически), пустые и щуплые, недоразвившиеся семена.
Для получения – семенного материала, отвечающего лесоводственным
требованиям и действующим стандартам, исходную смесь очищают, то есть из
исходной смеси выделяют чистые семена данной породы. Чистые семена, полученные после очистки, сортируют, то есть разделяют на несколько фракций,
отличающихся по качеству. В большинстве случаев очистку и сортирование
производят одновременно.
Для очистки и сортирования используют различия в показателях таких
физико-механических свойств семян и примесей, как абсолютный вес, удельный вес, аэродинамические и диэлектрические свойства, размеры формы, состояние поверхности и др. Разделение смесей по размерам семян и примесей –
наиболее распространенный прием очистки и сортирования.
Величина семян определяется длиной, шириной и толщиной, причем
длиной ℓ считается наибольший размер, шириной b – средний и толщиной с –
наименьший размер (табл. 4.1). Размер семян шарообразной формы характеризуется их диаметром.
250
Таблица 4.1
Характеристика лесных семян
Размеры семян, мм
Масса
длина
ширина толщина 1000 шт,
г
L ±m B ±m
c ±m
1. Гледичия
10,1 2,3 7,2 1,1 4,3 0,7
175
2. Дуб
21,3 5,6 14,0 2,1 11,3 1,8
3500
3. Ель обыкновенная 4,3 0,2 2,2 0,01 1,5 0,01
470
4. Сосна обыкно3,9 0,05 2,4 0,03 1,4 0,002
484
венная
5. Лиственница си4,9 0,02 2,9 0,01 1,8 0,01
420
бирская
6. Кедр сибирский
10,5 1,8 8,2 1,0 7,1 0,5
217
7. Лох узколистный 10,5 1,6 4,1 0,5 3,8 0,4
84
Крылатые семена
8. Клен остролист47,3 4,4 14,9 1,6 2,4 0,4
124,8
ный
9. Клен татарский
27,4 2,9 7,5 1,4 2,4 0,5
48,8
10. Вяз
13,9 2,0 10,8 0,2 0,9 0,2
8,9
11. Ясень обыкно34,7 2,2 6,7 0,9 1,5 0,2
84
венный
12. Ясень зеленый
39,2 3,3 5,1 0,8 1,9 0,3
89,5
Обескрыленные крылатые семена
13. Клен остролист- 16,3 2,4 9,4 1,4 2,2 0,5
97,2
ный
14. Клен татарский
12,4 1,8 5,9 0,9 2,1 0,7
36,6
15. Ясень обыкно21,6 3,8 5,4 0,7 1,5 0,2
56,7
венный
16. Ясень зеленый
20,7 4,0 4,1 0,9 1,9 0,4
29,2
Плотность, Коэф. заполг/дм3
нения емкости
465
0,62
630
0,56
850
0,66
825
0,60
850
0,64
278
395
0,58
0,63
98,6
0,17
187,4
28,7
133,4
0,23
0,12
0,19
90,8
0,21
296,5
0,39
308,9
305,1
0,42
0,33
226,2
0,37
Абсолютную массу семян принято характеризовать массой 100 или 1000
штук. Семена нормально развитые, созревшие, здоровые имеют большую абсолютную массу, чем недоразвитые, поврежденные и примеси. Пользуясь этим
различием, можно отделить здоровые семена от поврежденных примесей. Абсолютная масса является одним из показателей качества посевного материала,
утвержденных ГОСТ на лесные семена. Плотность семян
ρ=m/V,
где m – масса 1000 семян;
V – объем 1000 семян.
Принцип очистки по плотности широко используют на пневматических
сортировальных столах. Семенной материал поступает на решетчатый стол,
имеющий уклон и совершающий возвратно-поступательное движение. Снизу
251
стол продувается воздухом. Более тяжелые семена опускаются вниз, а легкие
поднимаются на поверхность.
Из аэродинамических свойств семян и примесей наиболее характерным
являются критическая скорость, удерживающая их во взвешенном положении
(скорость витания), и коэффициент парусности (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Критическая скорость и коэффициент парусности для некоторых лесных семян
Критическая скорость,
Коэффициент
м/с
парусности
Порода
Фракции
max min
средняя
min
max
Лох
Здоровые
13,6 9,96
11,99
0,053
0,099
Поврежденные
11,76 9,68
10,27
0,071
0,106
Щуплые
11,28 6,64
9,26
0,077
0,223
Неочищенные
13,32 8,64
10,99
0,055
0,138
Желтая ака- Здоровые
12,32 9,24
11,42
0,063
0,115
ция
Щуплые
10,44 5,24
7,95
0,089
0,358
Створки бобов
5,24 3,72
4,44
0,358
0,710
Жимолость
Здоровые
7,24 3,72
5,42
0,188
0,71
Неочищенные
10,52 3,72
6,77
0,088
0,71
Щуплые
3,00 2,20
2,60
1,08
2,03
Сосна
Здоровые
3,7
7,4
6,0
Поврежденные
2,6
1,4
4,5
Битые
2,6
4,5
3,7
Ель,
Здоровые
4,18
5,0
4,88
0,327
0,71
лиственница Пустые
3,72 4,72
4,26
0,440
0,71
Если тонкий слой семенной массы с примесями, имеющими различные
скорости витания, подвергнуть воздействию воздушного потока определенной
скорости, то дальше буду: отнесены те частицы, которые имеют меньшую скорость витания.
Критическую скорость частицы находят по формуле
U кр 
g
,
Kп
252
где
g – ускорение свободного падения;
Kп – коэффициент парусности,
K п  K
F
;
G
G – вес частицы;
K – коэффициент сопротивления, получаемый экспериментально;
γ – масса воздуха в м3;
F – площадь поперечного сечения частицы.
Различие в коэффициенте трения семян по поверхности используется при
разделении смесей на ленточных полотенных горках. Угол наклона полотна
горки подбирают таким образом, чтобы шероховатые зерна, имеющие большой
угол трения, поднимались полотном вверх, а гладкие семена, имеющие меньший угол трения по поверхности полотна, скатывались вниз.
Поверхность семян способна воспринимать определенное количество железистого порошка очень тонкого помола. Гладкие семена с малой пористостью
воспринимают малое количество такого порошка, а с большей пористостью –
большое количество. Помещенные в магнитное поле, они ведут себя поразному. Это свойство используют при разделении семян.
Разница в электропроводности, диэлектрической проницаемости, поляризуемости, способности воспринимать и отдавать заряд может служить основанием для электрических способов разделения семян.
4.4 Классификация воздушных систем семяочистительных
машин
Воздушные системы могут быть составной частью семяочистительных
машин, а также самостоятельными машинами. Они выделяют легкие примеси
из семян и сортируют их. Рабочими органами воздушных систем являются вентиляторы, сепарирующие каналы, осадочные камеры и пылеотделители.
Воздушные системы различают: 1) по направлению воздушного потока с
вертикальным и наклонным потоком; 2) по способу поступления воздуха в каналы – с всасываемым потоком; 3) по количеству сепарирующих каналов – с
одним и двумя каналами; 4) по способу циркуляции воздуха – с разомкнутым
циклом.
253
В системах с всасыванием потоком воздуха в каналах образуется давление ниже атмосферного. В системах с нагнетаемым потоком – давление воздуха в канале выше атмосферного. Воздушные системы с нагнетательновсасываемым потоком имеют два вентилятора, из которых один нагнетает воздух, а другой – всасывает. В системах с разомкнутым циклом воздух после
осаждения выделенных из семенного материала примесей удаляется наружу. В
системах с замкнутым циклом один и тот же объем воздуха все время циркулирует в машине. В последнем случае значительно снижается запыленность помещений.
4.5 Вертикальный воздушный канал
Сепарирующий канал воздушной системы представляет собой вертикальную колонку, поперечное сечение которой, как правило, прямоугольной
формы. На рис. 4.2 представлена схема вертикального воздушного канала 1 с
перепадами скорости воздуха, нагнетаемого вентилятором 8. Эти перепады вызваны резким изменением сечения канала на уровнях II–II и III–III. Семена,
подлежащие очистке, подаются из ковша 3 при помощи валика в канал 1. В канале расположена сетка 2, свободно пропускающая воздух, но задерживаются
семена. Сетка установлена с наклоном, позволяющим скатываться семенам к
противоположной стенке канала и через щель в приемник 7. Как только семена
поступают на сетку, на них действует воздушный поток, скорость которого
равна U1. Поток поднимает и уносит некоторую часть семян и примеси к сечению II–II. На сетке остаются тяжелые семена и примеси, скорость витания которых больше U1. Они отойдут в приемник z первой фракции.
Материал, поднятый воздухом к сечению II–II канала, окажется в области
с пониженной скоростью U2. При этой скорости некоторые составные части
поднятого материала не смогут подниматься выше и начнут падать. Завихрение
отнесет их в сторону осадочной приемной камеры 6. Получим вторую фракцию. Это будут семена и примеси легче, чем оказавшиеся в первой фракции.
Некоторая часть материала, поднявшаяся к сечению II–II, воздушным потоком со скоростью U2 будет поднята выше к сечению III–III, где скорость потока U3<U2. Здесь произойдет еще раз разделение, и часть материала переместится в приемник 5 третьей фракции. Остальная часть, самая легкая – пыль,
254
мелкие примеси – будет выброшена через окно 4 наружу.
Рис. 4.2. Вертикальный воздушный канал
При проектировании вертикального воздушного канала необходимо правильно выбрать рабочие скорости воздушного потока по имеющимся характеристикам исходного материала, предназначенного для очистки (критическая скорость основной культуры и примесей); установить потребное количество воздуха V(м3/c) для обработки материала по заданной подаче посевного материала q(кг/с); определить потери статистического напора по каналам и
воздухопроводам.
Порядок расчета вертикального воздушного канала следующий. Заданными величинами являются подачи q основного материала; содержание примесей в (%) в семенах; скорость витания основного семенного материала и примесей.
1. Определяют подачу (кг/с) примесей, уносимых воздушным потоком
bq
.
100
2. Выбирают скорость U воздушного потока, которая должна быть больше критической скорости удаляемых легких примесей и меньше критической
скорости очищаемых семян.
3. Определяют потребное количество воздуха при подъеме материала
вверх из соотношения
q
0  1 ,
qb
q
255
где
μ0<1 – коэффициент концентрации смеси;
qb – подача воздуха в единицу времени, кг/с.
Тогда
q1
.
0
При этом потребное количество воздуха (м3/с)
q
  b

ρ – плотность воздуха.
V
4. Находят площадь (м2) сечения канала F  .
U
qb 
где
5. Определяют эквивалентный диаметр d э  4 F  . Эквивалентным называют диаметр отверстия, через которое один и тот же вентилятор при одном
и том же давлении может пропустить в единицу времени то же количество воздуха, какое проходит через трубу круглого сечения.
6. Рассчитывают размеры канала. Если сечение канала – прямоугольник
со сторонами а и b, то задаваясь одной из сторон, другую получают из соотношения d э 
2ab
.
a  b 
7. При расчете вентилятора для подачи определенного количества воздуха в систему каналов необходимо установить потери статистического напора по
каналам, снабженным сетками, клапанами, уширителями, поворотами и т.п.
Потери складываются из потерь на трение воздуха hтр и потерь на преодоление
местных сопротивлений hM:
u 2
u 2
hтр 
,h 
,
d э  2 g  м 2 g
где
ℓ – длина участка, м;
λ – коэффициент сопротивления, который зависит от формы канала и
препятствий на пути воздуха (выбирают по справочникам);
u – средняя по сечению канала скорость потока, м/с;
ξ – коэффициент местного сопротивления.
Для внезапного расширения канала
256
2
где

F 
  1  1  ,
 F2 
F1 и F2 – площади сечения узкого и широкого каналов.
4.6 Наклонный воздушный канал
Любая частица, помещенная в поток воздуха, наклонного к горизонту под
углом β (рис. 4.3), находится под действием силы давления R и собственной
массы G=mg. Равнодействующая этих сил будет касательной к траектории движения частицы. Направление Rp, а следовательно, и траектория частицы характеризуется углом наклона ее к вертикали α, величина которого определяется
скоростью потока и показателями аэродинамических свойств частиц.
Рис. 4.3. Схема работы наклонного
воздушного канала
Рис. 4.4. Траектории движения
семян в наклонном
воздушном потоке
Полное движение частицы складывается из относительного в потоке со
скоростью W и переносного вместе с потоком со скоростью, равной скорости
потока U (рис. 4.4). Полная скорость С равна геометрической сумме скоростей
W и U. Проекции скорости C на оси х и у, то есть Cх и Cу будут равны сумме
соответствующих проекций скоростей W и U:
Cx  Wx  U x  Wx  U sin  ,
Cy  U y  Wy  U cos   Wy .
Полная скорость равна сумме составляющих, а направление определяется
углом наклона к вертикали α, величину которого находят из зависимости
tg 
Cy
Cx

U cos   Wy
Wx  U sin 
.
(4.1)
257
Исследованиями установлено, что предельная величина относительной
скорости W близка к критической скорости частиц Uкp, а предельным направлением ее будет вертикальное. Тогда Wy стремится к нулю, а соответственно
Wx  W  U кр . Подставив в формулу (4.1) значения Wy и Wx, получим
tg 
U cos 
.
U кр  U sin 
(4.2)
Если в потоке пропускают смесь частиц, обладающих различной крити до U кр
 , причем U кр
 > U кр
 , то траектории
ческой скоростью в пределах от U кр
всех частиц составят пучок, ограниченный траекториями с αmin и αmах. Рассеяние
пучка будет характеризоваться разностью этих углов, то есть  рас   max   min .
Математически αрас можно выразить через тангенс разности
tg max   min  
tg max  tg min
.
1  tg min tg max
(4.3)
После подстановки в эту формулу значения tgα из формулы (4.2) и соответствующих преобразований имеем
  U кр

U cos  U кр
  U кр
 tg max   min  
U кр
.
(4.4)
  U кр
  U sin  U кр
  U кр
  U 2
U кр




При какой-то скорости потока U=Upac, рассеяние будет максимальным и
разделение частиц наиболее полным. Исследование уравнения (4.4) на максимум приводит к выражению
  U кр
 .
U рас  U кр
(4.5)
Уравнением (4.5) пользуются для выбора скоростного режима очистки
разных смесей.
Качество фракций после прохождения их в воздушном потоке регулируют изменением высоты щитков (или расстояния между ними), числом оборотов
лопастного колеса вентилятора, величиной всасывающего окна кожуха или качеством подачи смеси из приемного ковша.
4.7 Вентиляторы
В семяочистительных машинах применяют центробежные вентиляторы
(рис. 4.5). Они имеют два круглых всасывающих окна и одно прямоугольное
258
нагнетательное. Лопастное колесо имеет четыре-восемь плоских или изогнутых
лопастей, расположенных радиально или с наклоном к радиусу колеса. Размеры
лопастного колеса и кожуха вентилятора находятся в прямой зависимости от
его производительности и скоростного режима.
Рис. 4.5. Схема построения кожуха вентилятора
Объем воздуха Vb, который должен подаваться вентилятором в единицу
времени, находят из соотношения
Vв  600...3000 Vз ,
(4.6)
где
Vз  Gз  з – объем чистого продукта в м3/с, или установленная произво-
дительность машины;
Gз – масса семян;
γз – объемный вес семян данной породы.
Скорость потока в воздушном канале (камере) веялки Uкан должна быть
равна Upac, находимой по формуле (4.5), или близка к критической скорости отделяемых примесей.
Для транспортирования воздуха в объеме Vв вместе с отделяемыми примесями со скоростью Uкан вентилятор развивает энергию, характеризуемую
полным напором h  hc  hд в мм водяного столба, где hс – статический и hд –
динамический напоры. Величину hд, расходуемого для создания скорости, находят по известной формуле
2
U кан
 см
hд 
,
2g
где
 см
(4.7)
– объемная масса смеси воздуха и отделяемого продукта,
 см   b  m отх ;  отх – объемная масса отделяемого продукта; m – доля отде-
259
ляемого продукта в смеси.
Статический напор hс, расходуемый на преодоление сопротивления в каналах, трения о стенки, перегородки, на поворотах и т.д., пропорционален динамическому напору
hc    hд ,
(4.8)
η – коэффициент пропорциональности, η=1,5…1,8.
Статический напор принято выражать для зерно- и семяочистительных
машин через эквивалентное отверстие Fэк, под которым понимается такое отверстие, через которое один и тот же вентилятор при одном и том же давлении
может пропустить в единицу времени такое же количество воздуха, которое
пройдет через систему воздухопровода. Чем больше местные сопротивления,
тем меньше эквивалентное отверстие. Скорость воздуха в эквивалентном отгде
верстии U эк 
2g
hc . Принимая для воздуха  =1,2 кг/м3 и g=9,81 м/с2, най
дем, что
U эк  4 hc .
(4.9)
Полная энергия потока в эквивалентном отверстии будет являться кинетической и равняться полному напору, развиваемому в нагнетательном канале вентилятора, то есть hc вых
2
2
U вых
  U эк



. Тогда через эквивалентное от2g
2g
верстие и нагнетательный канал вентилятора пройдет одинаковый объем воздуха: Vвых  FэкU эк  FвыхU вых . Соответственно скорости будут: U эк  Vв /Fэк и
U вых  Vв /Fвых . Если подставить эти значения скоростей в первое уравнение, то
Vв2  
Vв2  

оно примет вид hэк 
. Обозначим отношение площадей эквива2 gFвых 2 gFэк
лентного и выходного отверстий Fэк / Fвых через K. Подставим вместо Fэк в последнее уравнение ее значение Fэк  KFвых , решим его относительно Fвых и получим:
Fвых
V
 в
K


 1 K2
.
2 g hc
(4.10)
Величины Vв и hc определены ранее. Величина K=0,2…0,65. Взяв те или
иные значения K, Vв, hс, по формуле (4.10) находят Fвых.
260
Ширина выходного канала Ввых обычно одинакова с шириной рабочей
камеры веялки Вкам. Тогда высота отверстия A 
Fвых
. Если отверстие круглое,
Bвых
то находят его диаметр.
Размеры всасывающего окна кожуха должны быть достаточными для
пропускания всего объема воздуха при какой-то скорости его на входе U0.
Скорость U0 можно определить по эмпирической формуле U 0  4 k h , где h –
полный напор. Площадь всасывающего окна
F0 
Vв
.
U0
(4.11)
Как правило, всасывающее окно имеет круглую форму. Тогда по F0 находят его диаметр D0.
Внутренний диаметр лопастного колеса D1<D0. Наружный диаметр
D2  D1
. Ширина
2
лопастей bл≤Bвых, число лопастей zл=5…6. Лопасти плоские, реже изогнутые,
отклоненные назад от направления вращения.
Между внутренними поверхностями кожуха вентилятора и наружными
краями лопастей остается зазор, равный 10…15 мм. Кожух спиральный эксцентрической формы строят при помощи конструкторского квадрата, сторона которого ак берется равной 1 стороны кожуха Ак, где Ак=0,2D2.
4
Для наклонного потока угол наклона β принимают 35…45°, при такой величине β семена лучше очищаются.
Число оборотов лопастного колеса вентилятора nв определяют по формуле:
60U 2
nв 
,
(4.12)
D 2
где U2 – окружная скорость колеса (по концам лопаток). Можно принимать
U2=2Uкан. В существующих веялках nв=350…600 м-1.
Потребная для привода вентилятора мощность
V h
Nв  в ,
(4.13)
75в
по концам лопастей D2  1,75...2 D1 . Высота лопасти aл 
где
ηв – механический КПД, η=0,3…0,7.
261
РЕШЕТНАЯ ОЧИСТКА И СОРТИРОВКА СЕМЯН
4.8 Конструкция решет
Решета разделяют: по способу изготовления – на пробивные (штампованные) и тканые; по конструктивному оформлению – на плоские, цилиндрические и роликовые; по характеру движения – на колеблющиеся, вибрационные, вращающиеся, с круговым поступательным движением; по форме отверстий – с круглыми, продолговатыми, треугольными, квадратными и другими
отверстиями; по назначению – на решета отделения крупных примесей (колосовые), подсевные, сортировальные и калибровочные.
Пробивные решета изготовляют из тонких стальных листов, тканые из
проволоки. Круглые, продолговатые отверстия делают в пробивных решетах,
квадратные в тканых (рис. 4.6). Отверстия в решетах должны располагаться на
таком расстоянии одно от другого, чтобы при их пробивании не нарушалась
форма и точность размеров, а также прочность всего решета. Круглые отверстия, рабочим размером которых является диаметр d, пробивают так, чтобы
центры отверстий размещались в вершинах и центрах правильного шестиугольника и чтобы две параллельные стороны были перпендикулярны к направлению потока семян. Зависимость промежутка b между двумя смежными
отверстиями и диаметром эмпирическая: b  0,9 d . При этом обеспечивается
достаточная прочность решета.
Продолговатые отверстия выполняют в форме прямоугольника с закругленными или незакругленными углами. Отверстия определяются двумя размерами: шириной В (рабочий размер) и длиной. Размещают на решете прямыми
или смешанными параллельными рядами так, чтобы длинная сторона отверстия
располагалась по направлению движения семян.
Пропускная способность решета зависит от количества отверстий на единице площади. Наибольшую пропускную способность имеют решета, у которых большая площадь живого сечения. Относительное живое сечение решета μ
есть отношение площади всех отверстий Fж к общей площади решета F:
μ=Fж/F.
Производительность решета прямо пропорциональна живому сечению.
Однако последнее ограничивается условиями прочности решета.
262
а – размеры семян; б – пробивное решето с прямоугольными отверстиями;
в – то же с круглыми отверстиями; г – плетеное решето; д – тканое
Рис. 4.6. Форма отверстий в плоских решетах:
Рабочий процесс плоского решета заключается в перемещении семенного
материала равномерным слоем по поверхности решета, западении семян в отверстия и прохождение сквозь них под решето тех семян, размеры которых оказываются меньше размеров отверстий. Круглые отверстия делят семенной материал по ширине. Форма отверстий предопределяет и характер движения семян по решету. Для решет с круглыми отверстиями семена, имеющие овальную
форму, необходимо слегка встряхивать, чтобы дать им возможность расположиться перпендикулярно к отверстию и тем самым пройти через него.
Рабочим размером продолговатых отверстий является ширина, а длина
обычно превосходит в несколько раз длину семян. Решето с продолговатыми
отверстиями задерживает семена, толщина которых больше ширины отверстия.
Для прохождения сквозь продолговатое отверстие семя может перемещаться
плашмя, без отрыва от поверхности решета.
Для менее точной работы применяют решета с квадратными отверстиями,
их выполняют из проволоки и используют для предварительной очистки.
263
4.9 Выбор решет
При выборе типа решет и размеров его отверстий необходимо построить
вариационную кривую основной породы и вариационные кривые входящих в
основную породу разного рода примесей. По размерам отдельные примеси,
входящие в состав исходного материала, можно разделить на пять групп: 1)
частицы и посторонние примеси, размеры которых меньше, чем самый малый
размер семян основной породы (рис. 4.7 а); 2) частицы и примеси, размеры которых больше наибольшего размера семян основной породы (рис. 4.7 б); 3) частицы и примеси, наибольший размер которых больше меньшего размера семян
(рис. 4.7 в); 4) частицы и примеси, наименьший размер которых соизмерим с
наибольшим размером семян (рис. 4.7 г); 5) размеры примесей целиком перекрывают размеры семян (рис. 4.7 д).
Рис. 4.7. Соотношения между размерами семян и примесей: 1 – мелкий сор; 2 –
семена; 3 – крупный сор; 4 – сор
Для примесей первой группы рабочий размер отверстия подбирают из
промежутка max до  min , диаметр круглых отверстий (разделение по ширине)
max  d   min . Если деление происходит по толщине семян, то ширину продолговатого отверстия подбирают на том же основании, то есть max  d   min .
Отверстия указанного размера обеспечивают полное отделение мелких примесей без каких-либо потерь семян.
Для отделения примесей второй группы отверстия решета должны иметь
размер

max  d или B   min
264
Подбор отверстий для третьей и четвертой групп примесей усложняется
тем обстоятельством, что приходится учитывать потери в отходах семян и содержание сора в основном сорте в зависимости от степени перекрытия размеров семян размерами сорняков. Для третьей группы примесей необходимо под . Для пятой
бирать отверстия по размеру max , а для четвертой – по размеру min
группы примесей выделение сорняков по данному размеру невозможно. При
сплошном перекрытии вариационных кривых требуется использовать другой
признак или размер, по которому они различаются.
4.10 Расчет основных параметров плоских решет
Исходные данные для расчета: порода семян, их физико-механические
свойства (средняя сила тяжести, размерная характеристика, коэффициент трения о металл φ1); производительность машины Q (кг/ч), число фракций Zф, на
которое должна быть разделена исходная смесь; признак делимости (ширина
или толщина) и конкретное значение размерного показателя, по которому
должно быть произведено разделение смеси.
Порядок расчета следующий:
1. Выбирают тип расчета и форму отверстий.
2. Определяют число решет в машине, Z=Zф-1.
3. Выбирают размеры отверстий, которые зависят от размеров семян
и требований, предъявляемых к обрабатываемому материалу. Приближенно
размеры отверстий можно определить по формулам:
для решет, отделяющих крупные примеси
a  A  2 ;
для решет, отделяющих семена второго сорта,
a  A .
Определенные по формулам рабочие размеры отверстий решет округляют до ближайшего большого значения согласно ГОСТ 214-57. Длина прямоугольных отверстий превышает в 2,5…3 раза длину семян.
4. Выбирают схему размещения отверстий на решетах и определяют ширину перемычки между ними. У проволочных решет отверстия размещаются в
продольных и поперечных рядах. У штампованных решет круглые отверстия
располагают по вершинам шестиугольников и в их центрах. Причем две сторо-
265
ны шестиугольника должны быть перпендикулярны длине решетного полотна.
При таком размещении производительность решета на 10% выше, чем в том
случае, когда шестиугольник расположен иначе.
Расстояние между отверстиями в ряду :
t1  0,35...0, 45a  1,0...0,35 мм и между рядами;
t2  1,45...1,5a  2,0...3,0  мм.
Диаметр проволоки для проволочных решет 0,2…2 мм.
5. Определяют размеры решет исходя из производительности и удельной
нагрузки. Площадь плоского решета F рассчитывают по формуле F  Qi q , где
Q – производительность данного решета машины; q – удельная масса, приходящаяся на единицу площади решета в единицу времени, кг/дм3, q  k1c  k2 ;
здесь k1 и k2 – опытные коэффициенты, величина которых зависит от формы отверстий в решетах и типа семян; с=а/А.
Ширина решета В=500…1000 мм. При большей ширине возможно провисание решета. Длина решета  
F Qi

. Обычно ℓ=(1…3)В. Длина верхних
B qB
решет должна быть несколько больше нижних.
6. Рассчитывают кинематические показатели решет. Определяют частоту
колебаний решетного стана, обеспечивающую движение семян по наклонной
поверхности плоских решет. Чтобы создать возможность колебательного движения, решета соединяют с рамой машины с помощью вертикальных подвесок.
Колебания, как правило, горизонтальные, создают с помощью шатуннокривошипного механизма. С целью облегчения процесса перемещения семян по
решетам последние устанавливают под небольшим углом к горизонту β=
3…12° (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Схема к расчету нижнего предела частоты колебаний решетного стана
266
Для решет с продолговатыми отверстиями, где семена разделяются на
сорта по толщине, одним из условий прохода их через отверстия является такой
режим колебаний решета, при котором обеспечивается движение семян вниз по
решету, что происходит в случае, если
I cos   G sin   G cos   I sin  tg ,
(4.14)
G – сила тяжести одного семечка;
β – угол наклона решета к горизонту;
I – максимальная сила инерции, возникающая в результате возвратнопоступательного движения решета;
φ – угол трения семян о материал решета.
Величина силы инерции изменяется в зависимости от положения звеньев
шатунно-кривошипного механизма, и ее рассчитывают по формуле
G
I   2 r cos t,
g
где
r – радиус кривошипа;
ωt – угол поворота кривошипа относительно оси ОХ.
Из формулы следует, что сила инерции имеет максимальную величину,
равную при ω=0, π…
где
I
G 2
 r.
g
(4.15)
Подставив максимальное значение I в (4.14), находим
G 2
G
 r cos   G sin   G cos tg   2r sin tg
g
g
или
 2r
cos   sin tg   cos tg  sin  .
g
Разделив это выражение на cosβ и произведя преобразования, получим
 2r
1  tgtg   tg  tg .
g
Откуда
min  2nmin 
g
tg    
r
(4.16)
267
или
1 g
tg    .
(4.17)
2 r
Таким образом, для обеспечения движения семян вниз по решету необходимо, чтобы частота вращения шатунно-кривошипного механизма удовлетворяла условию (4.17).
Верхний предел частоты колебаний определяют по условию, согласно которому семя при его движении по решету должно успевать пройти сквозь решета (рис. 4.9).
nmin 
Рис. 4.9. Схема к расчету верхнего предела частоты колебаний решетного стана
Это произойдет в том случае, если к моменту завершения очередного
цикла колебательного движения решета семя переместится из положения I в
положение II, в котором его центр тяжести окажется ниже линии АВ или, как
минимум, на этой линии. Уравнения движения семени из положения I в положение II имеют вид:
x  c  b cos  ;
где
tц – время одного цикла движения семени, определяют по формуле
2
a 

c

b

sin


.
(4.18)
g 
cos  
Время tц составляет часть общего времени цикла движения решета. За это
время кривошип привода повернется на угол ωmахtц. В момент начала движения
семени действующая на него минимальная сила инерции может быть рассчитана по формуле
t
G 2
I  max
r cos max ц .
(4.19)
g
2
tц 
Приравняв I из (4.15) и (4.19), получают
268
t
G 2
G 2
min r  max
r cos max ц .
g
g
2
или
tц
.
(4.20)
2
Численное решение данного уравнения дает максимально допустимое
значение угловой скорости, а затем и частоты вращения кривошипа, а сравнительно, и частоты колебаний решетного стана.
Проход семян через решета с круглыми и квадратными отверстиями возможен только при условии, если семя расположится своей длиной перпендикулярно плоскости решета, что может произойти лишь в случае, когда зерно будет подбрасываться решетом вверх. Условия подбрасывания зерна следующие:
I sin   G cos 
или
G
2 r sin   G cos  .
(4.21)
G
Откуда
2
2
min
 max
cos max
  2n 
g
ctg .
r
или
1
g

ctg .
(4.22)
2
r
Частоту вращения цилиндрического решета рассчитывают по условию,
согласно которому семя, прижатое центробежными силами к внутренней поверхности решета, должно подниматься лишь до определенной высоты и затем
падать вниз, а не вращаться вместе с решетами. Критическую частоту вращения, при которой семя не будет отрываться от решета, находят из условия I=G
(рис. 4.10) или
G 2
кр r  G. Откуда кр 
g
g
1
или nкр 
r
2
g
1

.
r 2 r
269
Рис. 4.10. Схема к расчету частоты вращения цилиндрического решета
Фактическая частота вращения должна иметь несколько меньшее значение. Принимают для быстроходных решет n 
n
1
, а для тихоходных
2,15 r
1
.
3...7,5 r
ДРУГИЕ МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ И СОРТИРОВАНИЯ
СЕМЯН
4.11 Фрикционная очистка
Фрикционный способ очистки основан на различии в коэффициентах
трения отдельных фракций смеси, которые по размерам и аэродинамическим
свойствам почти не отличаются друг от друга.
Для фрикционной очистки используют подвижную или неподвижную наклонную поверхность (горку). Она может быть плоской, цилиндрической или
винтовой.
В неподвижной плоской горке рабочим органом является неподвижная
плоскость, устанавливаемая к горизонту под углом α, большим, чем максимальный угол φ (tgφ=f) трения о плоскость семян различных фракций, составляющих семенную смесь: α>φ, …φ1, …φn. В таком случае все семена, поступающие на плоскость с начальной скоростью, равной нулю, начинают скатываться на плоскости равноускоренно. Дифферециальное уравнение движения
материальной частицы имеет вид (рис. 4.11 а):
270
m
d2x
 mg sin   fmg cos 
dt 2
или
d 2x
 g sin   f cos  .
dt 2
Последовательно интегрируя последнее выражение, получим:
dx
Vx 
 g sin   f cos  t  c1;
dt
 t2 
x  g sin   f cos     c1t  c2 .
2
При t=0, x=0, Vx=0, c1=0, c2=0. Окончательно:
 t2 
x  g sin   f cos  .
2
Из уравнения (4.25) находим t, приняв х=L (длина горки). Тогда
t
(4.23)
(4.24)
(4.25)
2L
.
g sin   f cos  
Подставив найденное значение t в уравнение (4.23), получим
VL  2gLsin   f cos .
(4.26)
Из формулы (4.26) следует, что в конце горки большую скорость будут
иметь семена, у которых меньший коэффициент трения.
При перемещении семян по горке с движущейся наклонной плоскостью
(рис. 4.11 б) возможны два случая.
Случай 1. Угол наклона горки больше угла трения семян о поверхность
(α>φ). Дифференциальное уравнение движения частицы в натуральной системе
координат, считая, что положительное направление координатной оси совпадает с направлением абсолютной скорости частицы, будет иметь вид (рис. 4.11.6):
dV
m
 mg sin   fmg cos   PV ,
dt
где P(V) – сила действия движущейся ленты на частицу.
271
Рис. 4.11. Силы, действующие на семя при фрикционной очистке
Если P(V)=0, то имеем ранее полученные зависимости (4.23) и (4.24). Рассчитанные по этим формулам величины Vx и х будут являться абсолютными
значениями для подвижного полотна горки. Если полотно горки подвижное, то
величины Vx и х уже являются относительными и для получения абсолютных
значений к ним необходимо геометрически прибавить переносную скорость
Vпер полотна горки и переносный путь Vпep t.
Vабс  Vот  Vпер ;
xабс  xот  xпер ,
или алгебраически
 gt 2 
sin   f cos    Vперt .
Vабс  gt sin   f cos    Vпер  
2


Если соотношения между f и Vпep выбраны таким образом, что
gt sin   f cos    Vпер  0 , то семена (частицы) будут скатываться с горки, несмотря на то, что полотно движется вверх. Если коэффициент трения семян о
полотно f1>f и gt sin   f cos    Vпер  0 , то такие семена поднимутся вместе с
полотном вверх. В результате произойдет разделение смеси на фракции.
Случай 2. Угол наклона горки меньше угла трения семян о полотно (α<φ).
Если семя в момент соприкосновения с полотном имеет начальную скорость V0=0, то оно не скатывается, а перемещается с переносной скоростью,
равной скорости полотна. Относительное движение частицы (семени) по движущемуся полотну возможно только тогда, когда семя имеет начальную скорость V0=0.
272
Допустим, что в момент соприкосновения семени с полотном оно имело
начальную скорость V0, направленную против движения полотна. Составляя и
решая дифференциальное уравнение движения аналогично предыдущему, получим
VXот  g sin   f cos    c1
При t=0, VXот  V0 и c1  V0 . Тогда
VXот  g sin   f cos  t  V0  V0  gt     / cos  .
(4.27)
Перемещение
gt 2 sin    
xот  V0t 
 c2 .
2
cos 
При t=0, xот  0, c2=0. Тогда
xот  V0t 
gt 2 sin    
.
2
cos
Уравнение (4.27) можно записать в виде
VXот  V0  gt sin     / cos  ,
так как sin       sin    .
Как следует из формулы, скорость семян VXот с течением времени
уменьшается и при некотором t=t0 станет равной нулю:
VXот  V0  gt0 sin     / cos  0 ,
откуда
t0  V0 cos  /g sin    ..
При этом пройденный семенем путь до его остановки на полотне
x0  V0
V0 cos 
gV 2 cos 2
sin    
 2 0 2

g sin     2 g sin    
cos 
или
gV02 cos
x0 
.
2 g sin    
Далее семя начнет подниматься вверх с полотном.
Последняя формула позволяет определить минимальную длину наклонной подвижной поверхности (транспортера), обеспечивающую разделение
смесей по различию коэффициентов трения. Наиболее шероховатые семена,
имеющие больший угол трения, чем наклон горки (φ>α), будут подниматься
273
вверх, а гладкие, которые имеют меньший угол трения, – скатываться вниз.
Для того, чтобы добиться нужной чистоты семян, устраивают несколько
перепадов. Такие горки применяют для очистки семян, отличающихся значительной шероховатостью поверхности.
4.12 Вибрационные семяочистительные машины
Одним из путей интенсификации процесса очистки и сортирования семян
является применение семяочистительных машин, работающих по принципу
вибрационного движения рабочих органов. Эти машины характерны большой
частотой и малой амплитудой колебаний решет. Под действием вибрационных
решет зерновая смесь приобретает свойства ожиженного слоя. Вследствие этого улучшается перераспределение семян в слое по плотности и крупности, а
также увеличивается удельная просеваемость решет, так как при повышенных
частотах колебаний семена проходовой фракции более часто подходят к зонам
отверстий решет, и поэтому повышается вероятность прохождения их через отверстия.
По назначению вибрационные семяочистительные машины разделяют
для сортирования семян по ширине и толщине (решетные машины) и машины
для разделения по фрикционным свойствам, упругости и комплексу физикомеханических свойств; коэффициентам восстановления скорости и мгновенного трения при ударе, форме и способности к перекатыванию. По характеру
взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым материалом различают
машины, по рабочим органам которых зерновая смесь совершает двухмерное
движение (это машины с поступательными движениями решет в вертикальной
плоскости по прямолинейным, круговым и эллиптическим траекториям) и машины, по рабочим органам которых зерновая смесь совершает трехмерное
движение.
В качестве привода вибрационных семяочистительных машин применяют
вибратор. Он служит возбудителем колебаний решетного стана, установленного на упругой подвеске. Решетные станы приводятся в движение, как правило,
инерционными дебалансными вибраторами, как наиболее универсальными с
точки зрения задания амплитуды, частоты и направленности колебаний. К
инерционным относятся вибраторы, главный вектор и главный момент возму-
274
щающих сил которых создаются в результате вращения одной или нескольких
неуравновешенных масс. При вращении ротора вибратора инерционные силы
неуравновешенных частей выводят колебающуюся часть машины из положения равновесия, и рабочий орган совершает движение. В зависимости от вибратора и расположения его оси вращения по отношению к главным центральным
осям инерции колеблющейся части машины данное движение может быть простым или сложным пространственным.
4.13 Пневматический сортировальный стол
Семенной материал, предварительно обработанный на семяочистительных машинах, подвергают сортированию по плотности на пневматических
сортировальных столах. На столе семенной материал приводится в колебательное движение и одновременно продувается воздухом так, что семена
находятся во взвешенном состоянии. При этом сцепления между частицами нарушаются, и они перераспределяются в слое: тяжелые с большой плотностью –
опускаются вниз, а легкие, с меньшей – вверх. Затем полученные фракции направляются в соответствующие приемники. Оптимальный процесс перераспределения достигается правильным сочетанием частоты колебаний деки со скоростью воздушного потока.
На качество работы пневматического сортировального стола влияют степень засоренности исходного материала и количество массы, подаваемой на деку.
Опытами установлено, что на выравненном материале разделение по
удельному весу происходит более четко. Поэтому работу пневматических столов следует сочетать с воздушно-триерными семяочистительными машинами.
Производительность стола оказывает существенное влияние на качество
сортирования, оптимальную величину подачи выбирают в зависимости от
крупности семян и степени засоренности массы. При мелких семенах загрузку
планируют меньшей, чем при крупных.
При оптимальном режиме работы стола поверхность доски должна быть
покрыта ровным слоем семян толщиной 2…4 см при большей толщине воздушный поток не сможет расслаивать массу и процесс разделения будет неудовлетворительным.
275
4.14 Магнитные сепараторы
Магнитный способ сепарации основан на использовании различных
свойств гладкой и шероховатой поверхностей семян воспринимать железистый
порошок мелкого помола. Физико-механические свойства порошка влияют на
рабочий режим машины и качество очистки семян. Магнитный порошок должен обладать внедряемостью, то есть способностью обволакивать поверхность
семян, и магнитной проницаемостью – способностью притягиваться магнитом.
Внедряемость определяется отношением массы приставшего к семенам
порошка к первоначальной массе семян и зависит от размеров частиц порошка,
свойств магнитной составляющей и способа опыливания семян порошком: с
увлажнением или без увлажнения. Магнитная восприимчивость порошка находится в прямой зависимости от магнитной проницаемости.
По устройству главного рабочего органа магнитные сепараторы делятся
на ленточные и барабанные. Распространение получили последние.
Рабочий процесс электромагнитных сепараторов определяется способностью магнитного поля удерживать частицы, покрытые порошком.
Сила Т магнитного поля должна быть больше или, по крайней мере, равна
сумме сил веса G частицы и центробежной силы Pj действующих на частицу,
удерживаемую внизу барабана, то есть T≥G+Pj. Сила T выражается следующей
зависимостью:
T
 м Bм mn
,
 2c
(4.30)
εм – коэффициент магнитной проницаемости порошка;
Вм – магнитная индукция;
mn – масса приставшего порошка;
ℓс – расстояние от центра частицы до поверхности магнитного сектора.
Так как центробежная сила Рj=mω2R, где m – масса частицы; ω – угловая
скорость барабана; R – радиус барабана, то, подставляя значение Pj в уравнение
для Т, получают:
где
Bм 
где
9,81  kм  2
с,
 м kвн
kвн – коэффициент внедряемости;
kм – кинематический режим барабана.
(4.31)
276
Напряженность магнитного поля тем больше, чем меньше коэффициент
внедряемости. С увеличением кинематического режима барабана и расстояния
ℓс требуется большая напряженность магнитного поля. Для существующих
магнитных сепараторов kм=0,4…0,47.
4.15 Электрические сепараторы
Электрические свойства материала находятся в тесной связи с его механическими свойствами и биологическим строением. При электрических способах разделения смесей используют разницу в электропроводности, диэлектрической проницаемости, способности воспринимать и отдавать заряд. В последнем случае заряженные частицы падают в пространстве между двумя электродами.
При этом положительно заряженные частицы притягиваются к отрицательному электроду, а отрицательно заряженные – к положительному. Такой
способ можно использовать для очистки мелких семян хвойных пород от легких примесей.
Основу диэлектрического метода сепарации семян составляют законы
механики и электротехники, принцип суперпозиции сил разной физической породы, а также различия в величине пондоромоторной силы Fэл, обусловленной
поляризацией семян при помещении их в неоднородное электрическое поле,
создаваемое разноименно заряженными электродами.
Если принять во внимание, что физиологически зрелые семена содержат
большой процент связанной влаги, диэлектрическая проницаемость которой
почти в 40 раз меньше свободной, то с помощью диэлектрического метода сепарирования можно собирать высококачественный биологически ценный посевной материал, который невозможно получить с помощью существующих
устройств, где разделение осуществляется по морфологическим свойствам и
линейным размерам (крупности).
Основными элементами диэлектрического сепаратора являются рабочие
органы, выполненные в виде вращающихся цилиндрических барабанов, на поверхности которых уложена система разноименно заряженных изолированных
электродов, выполненных в виде бифилярной обмотки. Процесс отбора биологически ценных семян представлен на рис. 4.12.
277
Рис. 4.12. Технологическая схема сортирования семян (а) и цилиндрический рабочий орган (б): 1 – бункер; 2, 7 – цилиндрический рабочий орган (барабан); 3 –
очистительная щетка; 4 – делительная плоскость; 5 – выгрузочное устройство; 6
– бифилярная обмотка; 8 – трансформатор; 9 – окно вала; 10 – коллектор
Из загрузочного устройства семена попадают на вращающийся рабочий
орган, поляризуются, и на них начинают действовать силы: пондоромоторная,
обусловленная поляризацией семян, Fэл, центробежная Fцб, тяжести Р; трения
Fтр. От соотношения этих сил зависит траектория движения семян. Сила Fэл
стремится прижать семена к электродам, а Fцб – оторвать (отделить) от них. Поскольку семена разнокачественны, различаются по физическим и морфологическим свойствам, химическому составу и физиологическому состоянию, а следовательно, и по диэлектрической проницаемости и продуктивности, то при
одном и том же направлении на электродах рабочего органа сила Fэл на семена
будет действовать неодинаково (избирательно).
Семена с большой плотностью и массой, то есть с большим запасом питательных веществ, с более развитым зародышем, более физиологически зрелые
слабо удерживаются на поверхности рабочего органа и попадают во фракцию I
приемника. Семена же с меньшей плотностью и массой и примеси сильнее будут притягиваться к рабочему органа, они снимаются с его поверхности вращающейся щеткой и попадают в приемник II. В этот же приемник попадают
также половинки и травмированные семена.
Одно из главных достоинств диэлектрического метода сепарирования и
технических средств, в отличие от существующих сепарирующих устройств,
является то, что на диэлектрических сепараторах высококачественные семена
отбираются по совокупности свойств, а именно: семена с лучшими посевными
278
качествами (энергией прорастания, всхожестью, высокой интенсивностью начального роста, массой 1000 семян); семян с более развитым зародышем. После
диэлектрической сепарации семена становятся выровненными по размерам,
массе, плотности и влажности; достигается высокая чистота семян.
279
Раздел пятый
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИТАТЕЛЕЙ
Питатели предназначены для принудительной подачи малосыпучих, несыпучих и слежавшихся материалов к выходным отверстиям бункеров семяочистительных машин, а также сеялок, опыливателей, машин для внесения минеральных и органических удобрений. Наиболее часто встречаются шнековые,
планчатые и вибрационные питатели.
Исходные данные для расчета и проектирования питателей, характеристика технологического процесса, выполняемого машиной; физикомеханические свойства материала, подаваемого питателем; производительность
питателя; норма подачи материала на единицу площади; рабочая ширина захвата машины и рабочая скорость движения машины.
5.1 Шненовые питатели
Шнековые питатели имеют несколько типов шнеков (рис. 5.1): сплошные
– для сухих мелкозернистых и порошкообразных материалов; фасонные – для
некоторого измельчения материала одновременно с транспортированием; лопастные – для перемешивания материала с транспортированием; ленточные – для
транспортирования материала, склонного к налипанию. Они просты по устройству и в обслуживании, имеют небольшие габариты. Их недостатки – повышенный удельный расход энергии, значительное измельчение транспортируемого материала, большой износ рабочих поверхностей, возможность образования
сводов и залипания шнека при работе с материалами повышенной влажности.
Рис. 5.1. Типы шнеков: а – сплошной; б – фасонный; в – ленточный; г –
лопастной
280
Порядок расчета шнековых питателей следующий:
1. Выбирают тип шнека.
2. Рассчитывают диаметр шнека по формуле
D  0,073
где
П
,
nk v
(5.1)
П – производительность питателя, кг/ч;
ρ – плотность материала, кг/м ;
n – частота вращения шнека, n=0,25…2,5 с-1 и ее определяют по выражению
V
V
n  oc  oc ;
S kD
Voc – осевая скорость движения материала по желобу, Voc=0,2…0,6 м/с;
k – конструктивный параметр, характеризующий соотношение
S/D=0,6…1,2;
ηv – объемный КПД шнека, ηv=ψ∙ψ1;
ψ – коэффициент заполнения шнека, ψ=0,4…0,5;
ψ1 – коэффициент снижения осевой скорости материала в результате сообщения ему не только поступательного, но и вращательного движения.
Для горизонтальных шнеков ψ1=0,6…0,8; для наклонных – 0,4…0,6.
3. Определяют шаг шнека S (рис. 5.2) по формуле
S  KD.
(5.2)
Рис. 5.2. Схема к расчету параметров шнека
4. Находят диаметр d вала шнека по условию прочности и жесткости:
1 1
d   ...  D.
3 7
(5.3)
5. Производят проверочный расчет длины шнека L. Обычно длина опре-
281
деляется шириной или длиной дна бункера, но она не должна превышать
(16…20)D. Длина выпускной части L1=(1…2)D. Такую же длину имеет заборная часть, если шнек помещен в закрытый желоб.
6. Выбирают величину зазора между шнеком и желобом. Она должна
быть не менее 2,5…3,0 мм.
7. Рассчитывают мощность, затрачиваемую на работу шнекового питателя
N  N 2 m  N3  N 4 ,
N 1

η – механический КПД привода;
N1 – часть мощности, расходуемая на преодоление сил трения материала
о желоб,
Gf V
N1  1 ж , кВт;
(5.5)
1000
G – сила тяжести материала;
f1 – коэффициент трения материала о поверхность желоба;
Vж – скорость движения материала по желобу;
N2 – часть мощности, затрачиваемая на трение материала о шнек,
Gf f V
N 2  1 2 0 , кВт;
(5.6)
1000
f2 – коэффициент трения материала о шнек;
V0 – окружная скорость шнека, V0=πd0n (м/с);
d0 – диаметр окружности, проведенной через центр тяжести слоя материала, d0=(0,7…0,8)D;
m – опытный коэффициент, учитывающий потери в результате перемешивания материала, m=1,25…1,8;
N3 – часть мощности, расходуемая на трение в упорном подшипнике,
Gf  V
N 3  1 1 2 , кВт;
(5.7)
1000
μ1 – коэффициент трения в заплечиках упорного подшипника,
μ1=0,1…0,15
V2 – скорость, V2=πd2n;
d2 – средний диаметр заплечика;
N4 – часть мощности, расходуемая на трение в других подшипниках,
где
282
G2  2V3
, кВт;
(5.8)
1000
G2 – сила тяжести шнека вместе с нагрузкой от давления материала на
шнек;
μ2 – коэффициент трения в других подшипниках, μ2 – коэффициент трения в других подшипниках, μ2=0,15…0,20;
V3 – скорость, V3=πd3n;
d3 – диаметр цапфы.
8. Рассчитывают известными методами крутящий момент, производят
проверочный расчет деталей питателя на прочность, строят поверхность шнека
и развертку витка.
N4 
5.2 Планчатые питатели
Планчатые питатели (рис. 5.3) используют для подачи связных липких
материалов, в основном органических удобрений. Их тяговыми звеньями являются грузовые калиброванные цепи, к которым на определенном расстоянии
друг от друга крепят металлические планки, перпендикулярные направлению
движения цепей. Планки, перемещаясь по дну бункера, увлекают за собой материал, подлежащий транспортировке.
Рис. 5.3. Схема планчатого питателя
Порядок расчета планчатых питателей следующий:
1. Выбирают форму поперечного сечения и определяют основные размеры планки. Ее высота h должна быть небольшой, так как находящийся между
283
планками материал не подхватывается на выходе из бункера разбрасывающими
рабочими органами, а выпадает под машину. Практически принимают h=20 мм.
Ширина планки определяется по условию прочности, а длина примерно равна
ширине бункера.
2. Рассчитывают среднюю скорость движения планок транспорта
П
(5.9)
Vтр 
,
BHk
П – производительность питателя;
В – ширина транспортерной ленты;
H – высота слоя материала в бункере;
ρ – плотность материала;
k – коэффициент, учитывающий разницу между средней физической скоростью движения материала и скоростью движения планок, k=0,8…0,9.
Найденная величина Vтр представляет собой скорость равномерного движения транспортера. В большинстве же конструкций планки питания движутся
прерывисто, что достигается с помощью храпового механизма. В этом случае
кинематическим расчетом механизма привода добиваются, чтобы средняя скорость прерывистого движения была равна расчетной.
3. Определяют шаг транспортера (расстояние между планками). Планки
способны перемещать материал лишь при условии, если они расположены достаточно часто. При слишком редком расположении они прорезают в материале
узкую щель и проходят под ним, не приводя его в движение. Для определения
требуемого шага транспортера произведем анализ сил, действующих на питатель на участке одного шага t.
На дно бункера на таком узком участке действует сила тяжести материала
G  HBt ,
где
γ – объемная масса материала;
t – шаг транспортера-питателя;
ε – коэффициент зависания.
Активными силами, стремящимися двигать материал, являются: сила лобового давления планки на материал
T1  hBk см ,
(5.11)
где
где
h – высота планки;
kсм – удельное сопротивление материала лобовому смятию, kсм=5…10 Н/см2;
284
сила трения планки о материал
T2  bB H  h  f ,
(5.12)
b – ширина планки;
f – коэффициент трения планки о материал.
При передвижении материала, имеющего силу тяжести G, возникает реактивная сила P1 сопротивления материала перемещению по дну бункера.
P1  Gf1  HBtf1 ,
(5.13)
где
f1 – коэффициент трения материала о дно бункера.
Кроме этого со стороны боковых стенок бункера на материал действует
реактивная сила
P2  HBtf 2 m,
(5.14)
где
где
f2 – коэффициент трения материала о стенки бункера;
m – коэффициент подвижности материала.
Для обеспечения движения материала должно быть соблюдено условие:
T1  T2  P1  P2
или
hBk см  bB H - h f  HBtf1  HBtf 2m.
Отсюда шаг питателя
t
hkсм  bH  h  f
.
h  f1  f 2 m 
(5.15)
4. Рассчитываем мощность, затрачиваемую на работу транспортера, по
формуле:
N
где
HBL  f1  f 2 m Vтр

,
(5.16)
L – длина пути движения ленты транспортера по бункеру;
η – коэффициент, учитывающий потери мощности в трансмиссии.
5.3 Вибрационные питатели
Вибрационные питатели состоят из горизонтального или чаще наклонного лотка на дне бункера, на который воздействуют знакопеременные нагрузки,
направленные под углом к горизонту (рис. 5.4). Они приводят лоток в колебательное движение, перемещающее материал по поверхности лотка вниз. В ка-
285
честве генератора колебаний в основном используют кривошипно-шатунные
механизмы с тем, чтобы обеспечить постоянную амплитуду колебаний, а значит, и постоянную норму расхода материала независимо от его массы, которая
в процессе работы уменьшается от максимума до нуля. Центробежные вибраторы этого требования не выполняют. Достоинством вибропитателей является
то, что материал движется по ровной, гладкой поверхности и не контактует с
различными сочленениями деталей машин. Но они не долговечны и плохо работают с переувлажненным, липким материалом.
Рис. 5.4. Схема вибрационного питателя
Порядок расчета вибропитателей следующий:
1. Выбирают геометрические параметры вибропитателя: угол наклона его
к горизонту и амплитуду колебаний. Наклон питателя увеличивает выход материала, уменьшает энергоемкость процесса. Но при величине угла наклона,
превышающей величину угла трения транспортируемого материала о поверхность питателя, наступает произвольное, неуправляемое самоистечение материала. Обычно принимают угол наклона α=0…15° (чаще 7…10°). Амплитуду
колебаний, при которой наиболее сильно проявляется эффект вибрации, определяют экспериментально, величина его колеблется в зависимости от типа
материала в пределах 2,5…15 мм.
2. Определяют скорость движения материала. Средняя скорость должна
быть
П
Vср 
,
(5.17)
BH1
H1 – высота слоя материала, перемещаемого вибропитателем.
3. Рассчитывают частоту колебаний, при которой материал будет двигаться с заданной скоростью,
V
(5.18)
n
,
0,23rftg
где
где
r – радиус кривошипа механизма возбуждения колебаний;
286
ε – угол между направлением колебаний и горизонтом.
4. Рассчитывают мощность, затрачиваемую на привод вибропитателя
N  0,0014Gn  G , кВт
где
Gn – сила тяжести движущихся частей питателя;
G – сила тяжести груза на питателе.
287
Раздел шестой
МАШИНЫ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
РАСТЕНИЙ
6.1 Методы защиты растений
Мероприятия по защите растений в лесных питомниках, на лесокультурных площадях и в защитных лесных насаждениях должны быть направлены на
предупреждение возможности вредной деятельности грызунов, насекомых, патогенных грибов, бактерий, вирусов-возбудителей болезней растений и на
уничтожение уже появившихся вредителей и болезней. Применяют следующие
методы защиты растений: агротехнические, механические, биологические,
биофизические и химические.
Агротехнические методы включают проведение целого комплекса мероприятий, обеспечивающих наиболее благоприятные условия для развития
культурных растений, в том числе своевременную и высококачественную обработку почвы, оптимальные сроки посева и посадки, смешение культур, плотность посадки, своевременный уход и др.
Механические методы борьбы включают применение различных устройств – ловчих канав, липких колец, а также устройств для непосредственного
уничтожения вредителей и возбудителей болезней – капканов, ловушек, гусеницеловок и др.
Биологические методы основаны на использовании для борьбы с вредителями растений болезнетворных микробов и вредоносных бактерий, то есть их
естественных врагов (паразитов, хищников, патогенных микроорганизмов), а
также на использовании веществ, выделяемых из различных грибков и бактерий.
Биофизические методы заключаются в применении против вредителей и
возбудителей болезней растений ультразвука, токов высокой частоты, радиактивных препаратов, ионизирующих излучений и т.п.
Химические методы с вредителями, болезнями и сорной растительностью
включают применение различных ядохимикатов против самих вредителей, их
личинок, против возбудителей болезней и сорняков. Благодаря универсально-
288
сти, высокой производительности при сравнительно небольших затратах труда
и средств химические методы получили наибольшее распространение и являются, по существу, основными в борьбе с вредителями и болезнями леса, при
обезветривании материала и уничтожении сорняков.
Все ядохимикаты, применяемые для защиты растений, называются пестицидами. В зависимости от назначения пестициды разделяют на инсектициды
(для уничтожения вредных насекомых); фунгициды (для борьбы с болезнями
растений); гербициды (для уничтожения сорных растений). Кроме пестицидов
применяют и другие химические препараты, отпугивающие или привлекающие
насекомых.
Из химических методов борьбы против вредителей и болезней лесных
культур наиболее распространены опрыскивание, опыливание, обработка аэрозолями, фумигация, протравливание, разбрасывание химических приманок. В
соответствии с приемами химического метода все машины разделяют на протравливатели
семян,
опрыскиватели,
опыливатели,
опрыскивателиопыливатели, аэрозольные генераторы, фумигаторы, смесители и разбрасыватели приманок.
6.2 Исходные требования к машинам для химической
борьбы с вредителями, болезнями и сорняками
Машины для химической борьбы с вредителями, болезнями и сорняками
должны: 1) выполнять работы в оптимальные сроки, установленные с учетом
развития растений, биологических особенностей вредных организмов, почвенных и метеорологических условий; 2) равномерно распределять ядохимикаты
по обрабатываемому объекту с заданной нормой расхода (степень неравномерности не должна превышать 5%, а отклонение от нормы расхода – 3%); 3) достижение истребительного эффекта должно быть не менее 95% для вредителей и
болезней и 90% для сорняков; 4) повреждение культурных растений не должно
превышать 0,5%.
Кроме того, к машинам предъявляются дополнительные и специфические
требования.
Протравливатели должны хорошо перемешивать семена с ядохимикатами
и равномерно покрывать их ядами, выдерживая норму расхода яда; рабочие ор-
289
ганы протравливателей не должны повреждать семена; протравливатели должны быть герметичны и безопасны при работе; передаточные механизмы должны иметь защитное устройство, обеспечивающее безопасность работы и не затрудняющее обслуживание машины.
Опрыскиватели должны иметь распыливающие устройства, обеспечивающие наиболее равномерный распыл жидкости по размеру капель; они
должны точно дозировать ядохимикаты, сохранять требуемый расход жидкости
за весь период опорожнения резервуара независимо от скорости движения агрегата. Неравномерность состава рабочей жидкости не должна превышать ±5%.
Покрытие всего растения или его части в зависимости от места расположения
вредителей или возбудителей болезни должно быть равномерным; неравномерность не должна превышать 50% по ширине захвата машины и 20% по ходу
движения агрегата. При обработке лесных культур и защитных лесных насаждений воздушный поток должен подавать распыленную рабочую жидкость на
высоту не менее 8 м. Скорость воздушного потока на входе внутрь должна быть
не более 30 м/с.
Опыливатели должны обеспечивать тонко распыливание ядохимикатов,
создавать равномерную по ширине захвату пылевую волну и обеспечивать равномерный и полный охват растений этой волной и равномерное их покрытие
ядохимикатом. Неравномерность дозирования пылевидного ядохимиката не
должна превышать ±15%.
6.3 Расчет и проектирование рабочих органов
опрыскивателей
Главными рабочими органами опрыскивателей являются резервуары,
мешалки, насосы, наконечники, вентиляторы. Наиболее энергоемкими сборочными единицами являются насосы и вентиляторы.
Производительность насосов измеряется количеством жидкости, подаваемой в минуту, и выражается формулой
d 2
Q
 S  n  i  0 ,
4
где
d – диаметр плунжера (поршня);
S – ход плунжера (поршня);
(6.1)
290
n – число двойных ходов плунжера, или частота вращения кривошипа в
минуту;
i – число цилиндров;
η0=0,85…0,90 – коэффициент объемного наполнения насоса, равный отношению действительной подачи жидкости Qg, определяемой опытным
d 2
 S  n  i.
путем, к теоретической Qт, определяемой по формуле Qт 
4
Мощность, необходимая для привода насоса
N
QgH

,
(6.2)
γ – удельная масса жидкости;
Н – напор;
η – общий КПД, равный 0,6…0,75.
Шестеренные насосы отличаются компактностью и легкостью. Они получили широкое применение.
Подача (л/мин) шестеренного насоса с числом зубьев от 6 до 12 определяется по формуле
где
Q  7 Dн mbn 
где
 об
,
1000
(6.3)
Dн – диаметр начальной окружности ведущей шестерни, см;
m – модуль зацепления, см;
b – ширина шестерни, см;
n – частота вращения ведущей шестерни, об/м;
ηоб – объемный коэффициент насоса, равный 0,8…0,9.
Мощность на валу шестеренного насоса
Nb 
PQ
,

(6.4)
Р – давление, развиваемое насосом;
Q – производительность насоса;
η – полный КПД насоса.
В опрыскивателях применяют вентиляторы двух типов: центробежные и
осевые. Вентиляторы дробят ядохимикаты на мельчайшие частицы и транспортируют их к обрабатываемому объекту. Для обеспечения дробления воздушный
поток должен иметь большую скорость на выходе из сопла (не менее 50…70
где
291
м/с), а для транспортирования частиц ядохимикатов вентилятор должен обеспечивать большую дальнобойность и высокую производительность.
В центробежных вентиляторах скорость воздуха на выходе достигает 90
м/с, но она при выходе из сопла быстро затухает и уже на расстоянии 1,5…2,0 м
от него уменьшается вдвое, а на расстоянии 15 м – до 3 м/с.
Осевые вентиляторы по сравнению с центробежными обеспечивают начальную скорость воздушного потока, вдвое меньшую, но затухание ее происходит медленней, и на расстоянии 15 м от сопла скорость потока доходит до 10
м/ч. Следовательно, осевые вентиляторы обеспечивают лучшее транспортирование ядохимикатов, и их применение предпочтительней.
Резервуары проектируют и изготовляют из листовой стали, им придают
цилиндрическую форму или более сложную – овальную, или прямоугольную с
закругленными верхними краями. Форма в основном определяется условиями
навешивания вентилятора на трактор, а также технологией изготовления. Емкость резервуара должна быть достаточной для прохождения участков в прямом и обратном направлениях. В существующих тракторных опрыскивателях
емкость резервуара 400…1800 дм3.
Для перемешивания рабочей жидкости в резервуарах применяют пневматические, гидравлические или механические мешалки. Причем для работы
пневматических и гидравлических мешалок используют энергию воздушных и
гидравлических струй, выходящих из насадок или сопл, расположенных на высоте 25…50 мм от дна резервуара.
Для работы механических мешалок используют вращающиеся в рабочей
жидкости крыльчатки от внешнего цепного или другого механического привода. Лопасти мешалок обычно располагают радиально, реже с отклонением вперед или назад.
Производительность (м3/с) мешалки равна
Qм  2r1b1c1 sin 1i  2r2b2c2 sin  2 ,
где
r1 и r2 – радиусы внутренней и наружной окружности лопасти, м;
b1 и b2 – ширина лопасти у основания и на выходе жидкости с крыльчатки, м;
с1 и с2 – абсолютная скорость жидкости на воде на лопасть и на выходе с
лопасти, м/с;
α1 и α2 – углы между направлениями абсолютной и относительной скоро-
292
стями при входе и выходе жидкости с лопасти;
i – число пар лопастей.
Удельная мощность, отнесенная к 100 л рабочей жидкости, перемешиваемой в резервуаре
N1  N b
100
,
V0
(6.5)
V0 – начальное количество жидкости в резервуаре, м3.
Отношение производительности мешалки Qм к объему резервуара Wp называют коэффициентом циркуляции, то есть
где
I
Qм
.
Wp
(6.6)
По значениям I и N1 судят о качестве перемешивания жидкости в резервуаре.
Распыливающие устройства являются наиболее ответственными частями,
так как от них зависит равномерность покрытия растений ядохимикатом. Распыливающие наконечники по назначению и устройству разделяют на полевые и
садовые.
Полевые наконечники применяют при опрыскивании низкорослых насаждений, в питомниках. Они работают при небольших давлениях насоса
(3·105…8·105 Па) и дают широкий конус мелкораспыленной жидкости длиной
1,2 м. Полевые наконечники разделяют на обыкновенные (нормальные) и экологические. Последние отличаются от обыкновенных некоторыми конструктивными параметрами. Вкладыш наконечника имеет меньший шаг резьбы и
меньшее выходное отверстие, поэтому получается более тонкий распыл при
широком и более коротком факеле и в 3…4 раза сокращается расход жидкости.
Садовые наконечники производят распыл по тому же принципу, что и
полевые, но работают под давлением 20·105…25·105 Па и дают более сильную
дальнобойную струю высотой до 8…9 м.
Распыливающие наконечники должны производить дробление струи ядовитой жидкости на мелкие капли размером 100…300 мкм (чаще 200 мкм) и
равномерно распределять их на обрабатываемом объекте. Наиболее полно
удовлетворяют этим требованиям центробежные наконечники (тангенциальные
– рис. 6.1 и сердечниковые – рис. 6.2).
293
Рис. 6.1. Схема центробежного тангенциального распыливающего наконечника
Рис. 6.2. Схема центробежного сердечникового распыливающего наконечника
Особенностью конструкции центробежных наконечников является наличие у них цилиндрической камеры закручивания, где жидкость, поступившая
по тангенциальным или шнековым каналам, приобретает вращательное движение в плоскости, перпендикулярной оси выходного отверстия. В соответствии с
законом сохранения момента количества движения во время прохода частиц закрученной жидкости через узкое выходное отверстие скорость их закручивания
резко возрастает и пропорционально квадрату скорости растут центробежные
силы, отбрасывающие частицы к краям отверстия. Поэтому практически центральная часть проходного отверстия не заполнена потоком жидкости, то есть
жидкость двигается через отверстие не сплошным потоком, а по внешнему его
кольцу, тогда как средняя часть отверстия заполнена воздушным вихрем.
Степень использования сечения отверстия характеризуется коэффициентом заполнения

r02  rb2
rb2

1

,
r02
r02
(6.7)
r0 – радиус выходного отверстия;
rb – радиус воздушного вихря.
При работе центробежных распыливающих наконечников действует
принцип максимального радиуса, то есть устанавливается такой режим истегде
294
чения, при котором коэффициент расхода μ имеет максимальное значение. При
этом важно отметить, что данное явление наблюдается не при максимальной
величине φ=1, а при определенном его значении – φ<1, зависящем от геометрических параметров наконечника и давления в системе. Объяснением этого явления служит то, что при φ, близком к единице, большое количество энергии
расходуется на придание частицам жидкости, расположенным непосредственно
у оси отверстия, огромных тангенциальных скоростей, что приводит к уменьшению осевой скорости движения жидкости, имеющей по всему сечению постоянную величину, а следовательно, и к снижению коэффициента расхода μ.
При расчете параметров наконечников широко используется их так называемая геометрическая характеристика А. Для наконечников с тангенциальными входными каналами круглого сечения (рис. 6.1)
A
Rr0
,
nrвх2
(6.8)
R – радиус закручивания потока жидкости;
rвх – радиус входного канала;
n – число входных каналов, n=1…4.
Для сердечниковых наконечников с шнековыми входными каналами,
расположенными под углом β к продольной оси сердечника и имеющими прямоугольное сечение (рис. 6.2)
где
A
Rr0
sin  ,
nf вх
(6.9)
где
fвх – площадь поперечного сечения входного канала.
Величины А, φ, μ, а также величина угла 2α конуса разбрызгивания наконечника связана между собой при максимальном расходе жидкости следующими соотношениями:
tg 
1  2
A    1
;
  
(6.10)
3

;
2 
(6.11)
2 2 1   
.
 1 1


(6.12)
Исходные данные для расчета и проектирования: характеристика объек-
295
тов работы; норма расхода ядовитой жидкости 0н, л/га; скорость движения агрегата Vаг, м/с; рабочий захват машины В, м; расстояние х от распыливающих
наконечников до обрабатываемой поверхности, м; скорость Vх движения частиц
жидкости в момент входа в контакт с листовой поверхностью деревьев и кустарников; диаметр капель жидкости dk. Для того чтобы частицы проникали
внутрь кроны дерева и с обеих сторон обрабатывали листья, скорость входа в
крону должна быть для деревьев с густой кроной – 20…35 м/с, для деревьев с
разреженной кроной – 10…20 м/с и для кустарников – 8…15 м/с.
Порядок расчета и проектирования:
1. Определяют расход жидкости Q всеми наконечниками опрыскивателя в
единицу времени,
Q
VBн
, л/с.
1000
(6.13)
2. Выбирают величину угла 2α при вершине конуса разбрызгивания
наконечника (2α=60…120°) и, используя выражения (6.10), (6.11) и (6.12), рассчитывают значения коэффициента заполнения φ, коэффициент Q расхода μ и
геометрической характеристики А.
3. Определяют скорость V0 движения частиц разбрызгиваемой жидкости
на выходе из наконечника по формуле
 ax

Vx 
 0,145 
2r
,
V0   0
(6.14)
0,48
где а – коэффициент турбулентности, характеризующий интенсивность перемешивания основной массы струи с окружающим воздухом, определяемый
экспериментальным путем, а=0,07…0,14.
4. Определяют рабочее давление Р в системе, обеспечивающее скорость
V0 движения частиц на выходе из наконечника
V02 
P 2
, Н/см2,
2k 1000
(6.15)
k – коэффициент потери скорости на выходе, k=0,85…0,90;
ρ – плотность жидкости, кг/м3.
Обычно у ручных опрыскивателей Р=50…100 Н/см2, у тракторных –
Р=150…200 Н/см2.
5. Из формулы (6.9) находят радиус выходного отверстия и определяют
где
296
некоторые геометрические параметры. Для тангенциальных наконечников с
круглыми входными отверстиями
Anrвх2
r0 
.
(6.16)
R
R и rвх выбирают с учетом габаритов наконечника. R принимают равным
(3…6)r0, а радиус входного отверстия rвх=(1,5…3)r0 (меньшее значение при
n>1).
Для сердечниковых наконечников с входными каналами прямоугольного
сечения r0 определяют, используя формулу (6.10)
Anf вх
r0 
.
(6.17)
R sin 
Площадь поперечного сечения fвx входных каналов принимают равной
7...30r02 , а угол наклона каналов β=45…82°.
6. Производят проверочный расчет геометрической характеристики А с
учетом влияния сил трения и различных конструктивных факторов. Для этого
определяют на входе в наконечник число Рейнольдса
Re 
где
2q
,
 n rвх
(6.18)
q – расход жидкости через наконечник,
q  r02k
2P
;

ν – коэффициент вязкости. Затем находят коэффициент трения f
lg f 
25,8
2
lgRe 2,58
(6.19)
и определяют величину эквивалентной характеристики
Aэ 
Rr0
.
f
2
nrвх  R R  r0 
2
(6.20)
Величина Аэ<А. Если разница Аэ–А невелика, то есть если расхождение
между рассчитанными по А и Аэ значениями μ и α не превышают 5…10%, то
параметры не требуют уточнения. Если же разница превышает 10%, то из урав1
нения (6.20) находят rвх
, приняв Аэ–А:
297
rвх1 
Rr0
f

RR  r0 .
nA 2n
(6.21)
1
При новом значении rвх рассчитывают по формулам (6.18), (6.19) и (6.20)
Rэ1 , f 1 и Aэ1 , вновь сопоставляют Aэ1 и А и, если есть необходимость, то делают
дальнейшее приближение. Обычно бывает достаточно двух – трех приближе1
ний. После этого определяют окончательное значение rвх учетом сужения по-
тока жидкости в момент входа во входной канал:
1
rвх

где
Rr0
,
nAэ0
(6.22)
ε – коэффициент, учитывающий сужение потока жидкости во входном
канале, ε=0,85…0,90;
Aэ0 – уточненная эквивалентная характеристика.
7. Определяют остальные параметры наконечника.
Диаметр камеры закручивания:
у тангенциального наконечника – Dk  2R  rвх  ;
у чердечникового наконечника – Dk  2 R  bвх .
Высота камеры закручивания –  k  2...4 rвх .
У некоторых конструкций садовых опрыскивателей ℓk – переменная величина, чем достигается изменение угла конуса распыла и степени дробления
жидкости.
Толщина стенок выпускного отверстия
  0,5...2r0 .
Длина входного канала
 вх  3...6 rвх .
8. Рассчитывают число наконечников, z=Q/q.
9. Определяют расстояние b между наконечниками. Для штанговых опрыскивателей b=B/z. Для других – b подбирают по конструктивным соображениям.
10. Проверяют, чтобы на заданном расстоянии х от наконечника конусы
распыла перекрывали друг друга , то есть чтобы
2 x sin   b.
11. Проверяют средний диаметр капель по формуле
298
n
m
    
    


d k  2r0   0  0,8170  ,
EM 1
(6.23)
σ0, ν0 – соответственно поверхностное натяжение и вязкость керосина при
20°;
σ, ν – поверхностное натяжение и вязкость распыливаемой жидкости (воды);
М1 – число Маха при движении капель жидкости в воздухе (отношение
скорости движения частиц жидкости к скорости звука);
E, n, m – эмпирические коэффициенты, приведенные в литературе.
Если расчетный диаметр превышает установленный лесоводственными
требованиями, необходимо повысить или уменьшить диаметр выходного отверстия.
12. В этом случае, если распыленную наконечниками жидкость необходимо транспортировать на большое расстояние (например, в крону высокого
дерева), на опрыскиватели устанавливают вентиляторы. При этом скорость
движения Vв воздушного потока на выходе из сопла вентилятора, по краям или
в середине которого размещены наконечники, определяют по формуле (6.14), в
которой принимают r0 приведенный радиус выходного канала вентилятора.
где
6.4 Конструктивные параметры рабочих органов
опыливателей
По принципу образования пылевой волны опыливатели делятся на два
типа:
1. Опыливатели с подачей порошкообразного ядохимиката из резервуара
в камеру, откуда порошок выбрасывается через распылители воздушным потоком. Это в основном ручные опыливатели, в которых поток воздуха создается
нагнетателем в виде мехов.
2. Опыливатели с подачей сухого яда в камеру, откуда он выбрасывается
через распылители непрерывным и равномерным потоком, создаваемым вентилятором. К этому типу относится большинство опыливателей, в том числе и
авиационные.
Из тракторных широко известен опыливатель широкозахватный универ-
299
сальный ОШУ-50 (рис. 6.3). Основанием опыливателя служит рама, на которой
смонтирован бункер 1 для порошкообразных химикатов, сверху бункер имеет
люк с крышкой 2, а внутри мешалку 12 и шнек-питатель 11 с четырехлопастной
катушкой. На раме установлен редуктор 5, передающий движение на осевой
вентилятор 9 и при помощи цепной передачи на мешалку. От вала мешалки
движение передается на вал шнека-питателя. Вал редуктора связан с валом вентилятора цепной муфтой 6. Редуктор приводится от ВОМ трактора через карданную передачу 4. Другими элементами конструкции являются регулируемое
дозирующее отверстие в дне бункера с рычажным дозирующим механизмом 3,
а лоток вентилятора 7 и распыливающее сопло 10, гидроцилиндр 8, обеспечивающий поворачивание распиливающего сопла во время работы на 60°.
Рис. 6.3. Схема опыливателя ОШУ-50
Технологический процесс протекает по следующей схеме. Сухой порошкообразный химикат, загруженный в бункер, перемешивается вращающейся
мешалкой, шнеком-питателем подается к дозирующему отверстию и лопастной
катушкой выталкивается через окно на лоток вентилятора. По лотку порошок
поступает в вентилятор, где перемешивается с воздухом и подается лопастным
колесом вентилятора в распыливающее устройство. Норму расхода ядохимиката регулируют перекрытием заслонкой дозирующего отверстия при помощи
рычажного механизма 3.
Бункеры изготовляют из листовой стали, им придают цилиндрическую
или прямоугольную форму с конусной нижней частью. Емкость бункеров зависит от расчетной производительности машины (в существующих машинах емкость 150…160 дм3). Чтобы порошок постоянно поступал к подающим механизмам, наклон стенок конусной части к горизонту должен быть больше угла
внутреннего трения порошка (pn, величина которого зависит от влажности,
300
тонкости помола, вида ядохимикатов и других факторов.
Мешалки опыливателей являются составным элементом подающего механизма. Конструктивно они бывают лопастные с пальцевидными лопастями,
скребковые и шнековые.
Порошкообразный ядохимикат в бункере разрыхляется мешалкой и подается к питателю. Существуют следующие типы питателей: шнеколопастные,
тарелочные, дисковые, пневматические и терочные (на ручных опыливателях).
Наиболее широкое распространение на тракторных и автомобильных
опыливателях получили пневматические скоростные питатели. Бункер питателя
имеет цилиндрическую форму, внутри него находится мешалка в виде конуса с
двумя спиральными витками, работающая при 1600…1800 м-1 и интенсивно
разрыхляющая ядохимикаты. За счет вакуума, образующегося в трубе диффузора, разрыхленный ядохимикат проходит через дозировочные окна, поступает
в полость кожуха вентилятора и далее выбрасывается на растения.
Общая пропускная способность (дм3/с) питателя
Q
где
Fm
,
10
(6.24)
F – площадь одного дозировочного окна;
m – количество дозировочных окон;
φ – коэффициент наполнения, φ=0,85…0,90;
ν – скорость истечения препарата, м/с.
Скорость истечения смеси сухого препарата с воздухом
  2gh ,
(6.25)
g – ускорение свободного падения;
h – напор, создаваемый вентилятором.
Конструкция пневматического питателя обеспечивает надежную работу
опыливателя слежавшихся ядохимикатов повышенной влажности и засоренности посторонними примесями.
В случае применения шнеко-катушечного питателя его производительность подсчитывают по формуле
где
d ш2 Sn
Q
, кг/с,
4  60
где
dш – диаметр шнека, дм;
S – шаг шнека, дм;
(6.25)
301
n – число оборотов шнека в минуту;
ψ – коэффициент наполнения шнека, ψ=0,3…0,5;
γ – удельный вес ядохимиката, γ=0,5.
По заданной производительности определяют размеры шнека. Величину
шага можно определить по зависимости S=с∙dш, где коэффициент с=0,3…0,5.
В большинстве существующих конструкций опыливателей число оборотов шнека в минуту 35…55. Эту величину можно принять как исходную для
расчета.
Заменив в формуле (6.25) значение S на cdш и образуя ее, получим:
dш  3
240Q
.
cn
(6.26)
В формуле (6.26) Q задано, ψ и γ берут из характеристики порошка, n и с
подбирают, dш рассчитывают, а затем находят S.
6.5 Основные параметры вентиляторов опыливателей
В опыливателях, как и в опрыскивателях применяют вентиляторы центробежные и осевые. В большинстве конструкций опыливателей центробежные
вентиляторы, состоящие из кожуха с всасывающими и нагнетательными отверстиями, и лопастного колеса, вращаются внутри кожуха.
Число оборотов n лопастного колеса вентилятора существующих опыливателей колеблется от 1440 до 4000 м-1. Соответственно общее давление (напор)
h, развиваемое вентилятором, составляет 25…500 мм водяного столба и скорость потока на выходе из сопла или незначительного отверстия вентилятора
u=15…100 м/с. Производительность составляет от 50 до 2500 м3/ч.
В центробежных вентиляторах воздух засасывается в кожух через отверстия в боковых (торцовых) стенах. Отверстия круглые, центр их совмещен с
осью вращения лопастного колеса. Отверстия делают или в одной стенке одностороннее всасывание, или в обеих торцовых стенках – двухстороннее. Чаще
встречается последний вариант.
Диаметр всасывающего D0 (рис. 6.4) должен быть достаточным для пропускания всею объема воздуха Vb, при данной скорости засасывания. Диаметр
всасывающего окна находят по формуле
302
D0  A3
где
Vb
,
n
(6.27)
n – число оборотов вала вентилятора в минуту;
A – опытный коэффициент, равный 3,2…4,0;
D0 – диаметр одного окна (при одностороннем всасывании), м.
Рис. 6.4. Вентиляторы и наконечники опыливателей:
а – центробежный вентилятор; 1 – лопастное колесо; 2 – кожух; 3 – всасывающее окно; 4, 5 – нагнетательный патрубок; б – виды наконечников (сопел):
1, 4 – плоскоконические; 2 – ложкообразный; 3 – секирообразный; 5, 6 – цилиндрические; 7 – наконечник с электрической подзарядкой порошка
D02
.
Соответственно площадь окна F 
4
Скорость засасывания воздуха вместе с порошком
Ub 
Vb
,
F0
μ – коэффициент снижения струи, μ=0,9.
Нагнетательное отверстие кожуха прямоугольной, круглой или иной
формы. В любом случае площадь отверстия можно принимать равной площади
всасывающих окон, то есть Fвых=F0. Во всяком случае, Fвых должно быть достаточным, чтобы сквозь него прошел весь объем воздуха Vb при какой-то скорости на выходе. Иногда начальное сечение Fвых нагнетательного отверстия в месте присоединения к нему нагнетательного патрубка или распыливающего наконечника уменьшает, что повышает скорость потока на выходе. По площади Fвых
где
303
определяют диаметр круглого отверстия Dвых или высоту hb прямоугольного;
ширину отверстия принимают равной ширине кожуха, то есть bb=Bкож.
Ширина кожуха вентилятора Вкож=(0,88…0,89)D0. Диаметр кожуха
Dкож=D2+ΔD2, где D2 – наружный диаметр лопастного колеса в м; ΔD2 – зазор
между наружными краями лопастей (по окружности) и внутренней поверхностью цилиндрической стенки кожуха, равный 5…10 мм.
Кожухи по форме могут быть концентрическими и эксцентрическими.
Последняя форма обеспечивает большую равномерность потока. Боковую проекцию кожуха эксцентрической формы строят с использованием конструкторского квадрата (рис. 4.5).
Лопастные колеса вентилятора опыливателей имеют, как правило, плоские лопасти с прямыми или отогнутыми (по направлению вращения) концами.
В последнем случае вентилятор создает большое давление (напор) и большую
скорость, но поток менее равномерный. Лопастей обычно бывает 4 - 6. С увеличением числа лопастей Zл уменьшается пульсация струи, но могут также
уменьшиться количество воздуха, проходящего между лопастями, и производительность. Уменьшение Zл ведет также к снижению равномерности подачи воздуха.
Размеры прямоугольных и трапециевидных лопастей характеризуются их
высотой hл и шириной bл. Высотой лопастей
hл 
где
D2 - D1
,
2
D2 – диаметр колеса по наружным краям лопастей (наружный), м;
D1 – диаметр по внутренним краям лопастей (внутренний), м.
Наружный диаметр определяют по формуле
D2 
D0
,
m
D0 – диаметр всасывающего окна, находимый по формуле (6.27);
m – эмпирический коэффициент пропорциональности, m=0,85…0,90 для
вентиляторного давления и m=0,45…0,50 для вентиляторов высокого давления.
Внутренний диаметр принимается близким к диаметрам всасывающего окна, то
есть D1≈D0.
С достаточной точностью ширину лопастей можно вычислить по эмпирической зависимости bл=0,86Вкож.
где
304
Мощность, расходуемую вентилятором, подсчитывают по формуле
(4.13).
6.6 Распыливающие устройства
Они предназначены для придания пылевой волне нужного направления и
формы. В конструкцию устройств включают трубопроводы и собственно распиливающие наконечники – сопла.
Трубопроводы обычно имеют цилиндрическую форму и могут быть металлическими, из прорезиненной ткани, в виде спирали из стальной ленты и др.
В зависимости от положения трубопровода на машине волна пыли направляется вертикально вверх, наклонно или горизонтально; в последних случаях она
перпендикулярна к направлению движения агрегата.
По форме образуемой волны и общей конструкции наконечники бывают
разными.
1. Наконечники, создающие пылевую волну плоского сечения – плоскоконические в форме треугольника (рис. 6.46). Отверстия сопла имеют прямоугольную форму или сужаются к середине. Края отверстия могут быть
одинаковой длины или один край удлинен. Эти наконечники образуют широкую, но короткую волну и пригодны для опыливания растений с небольшой и
средней высотой. К этому же типу относятся ложкообразные наконечники,
применяемые в ручных опыливателях.
2. Наконечники, создающие волну круглого сечения, – цилиндрические.
Они образуют длинную или высокую, но узкую коническую волну и используются для обработки высоких растений.
3. Наконечники, создающие волну кольцевого сечения, в виде усеченных
конусов и цилиндров. Поток от вентилятора подводится к таким наконечникам
по касательной к окружности его сечения. Их используют редко.
Площадь отверстия любого наконечника Fн определяют из условия неразрывного потока
FнU н н  F0U 0  0 .
(6.28)
Величину ηн коэффициента потерь во всем трубопроводе определяют
расчетным или опытным путем. Для опыливателя с одной цилиндрической трубой ηн=1,1…1,15. Скорость на выходе из сопла Uн устанавливают, исходя из
305
высоты (длины волны), которую нужно получить. Из формулы (6.28) определяют площадь отверстия наконечника
Fн 
F0U 0 0
.
U н н
(6.29)
Отсюда находят и диаметр круглого отверстия или ширину и высоту
прямоугольного.
Высоту создаваемого наконечником воздушного потока определяют из
уравнения элементарного факела
x  d н 1,137
8,26U н
,
Ux
(6.30)
х – высота воздушной волны, м;
Uх – скорость волны при затухании факела в м/с, обычно Ux=1 м/с, когда
порошок выпадает из волны;
dн – диаметр отверстия наконечника, м;
Uн – скорость потока на выходе из наконечника в м/с, которая колеблется
от 15 до 100 м/с.
Если известна площадь выходного отверстия кожуха вентилятора Fвых и
скорость потока на выходе из него Ub, то можно путем подбора найти такую
площадь сечения отверстия наконечника, чтобы получить необходимые скорость Uн и высоту пылевоздушной волны х.
При установке на опыливателе nн наконечников площадь отверстия кажV
V
дого из них Fн  н , где Vн  b и U н – скорость потока при выходе из сопла.
U н
nн
где
где
Расход порошка через распыливатель в кг/м находят по формуле
V BN
qн  аг п ,
10  60
Vаг – поступательная скорость движения агрегата;
В – ширина рабочего захвата;
Nп – установленная норма расхода порошка на 1 га в кг.
(6.31)
306
Раздел седьмой
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ЛЕСОРАСЧИСТКИ
Лесорасчистку производят для лесовосстановления вырубок ценными и
быстрорастущими породами; при заложении питомников для выращивания посадочного материала; прорубке противопожарных разрывов; расчистке просек
от мелколесья; освобождении площадей под сельскохозяйственные угодья,
строительные и складские площадки; прокладке осушительных каналов, трасс
под электролинии, лесовозные дороги и т.п. Лесорасчистку проводят машинами
в виде частичной или полной корчевки пней, срезания и раскорчевки мелколесья и сбора порубочных остатков. Для этих работ применяют корчевальные
машины, кусторезы, подборщики сучьев и порубочных остатков.
7.1 Корчевальные машины
Корчевка пней является весьма трудоемким и энергоемким процессом и
производится в основном механическим способом при помощи тракторных
корчевальных машин. Мощность трактора расходуется на механическую работу при извлечении пней из почво-грунта и их транспортировку с расчищаемой
территории.
Усилия на извлечение пней вместе с корнями зависят от механического
состава почво-грунта, его влажности и плотности, а также от породы пней, их
размеров по диаметру и высоте, строения и размеров корневой системы. Для
корчевки пней с поверхностной корневой системой требуются значительно
меньшие энергозатраты по сравнению с пнями, имеющими мощную, хорошо
разветвленную по горизонтали и глубине корневую систему.
Корчевальные машины навешиваются на гусеничные тракторы класса 30,
40 и 60 кН. В этом случае вес машины Gм и вес трактора Gтр распределяются на
опорную поверхность движителей трактора S. Удельное давление в этом случае
будет равно
307
q
Qм  Qтр
, даН / см 2 .
(7.1)
S
Корчевальные машины подразделяются на корчеватели-собиратели и
корчеватели. Корчеватели-собиратели относятся к группе тракторных навесных
корчевальных машин и имеют в качестве рабочего органа металлический широкий решетчатый отвал с зубьями для корчевания и уборки пней диаметром до
40 см, кустарника и мелкого леса, срезаемого кусторезами, камней. Количество
зубьев составляет 6…8, и они жестко соединены с отвалом. Управление отвалом осуществляется от гидросистемы трактора через выносные гидроцилиндры. Корчеватели-собиратели также могут быть использованы для заравнивания
подпневых ям, планировки поверхности раскорчеванных полос и рыхления
почвы.
В корчевателях, в отличие от корчевателей-собирателей, количество
зубьев 2…3, и они выполнены поворотными, что обеспечивает приложению к
пню большого вертикального выталкивающего усилия. Такие корчеватели
применяют для корчевки крупных пней со стержневой и глубокой корневой
системой за несколько проходов, в результате чего производится постепенный
разрыв корней с разных сторон пня.
Корчеватели-собиратели навешенные впереди трактора и не имеющие
специальных опорных рам, в первом случае корчуют пни , заглубляя корчевальные зубья отвала под пень и сдвигая его толкающим усилием трактора. Во
втором случае после заглубления зубьев отвала под пень и сдвигают его и одновременно поднимают раму корчевального устройства для извлечения пня из
почвы. В третьем случае тракторист, поднимая отвал и подводя его к пню, не
заглубляет зубья под пень, а создает усилие на некоторой высоте от его основания, образуя момент, опрокидывающий пень.
Каждый из этих способов применяют в зависимости от параметров пней и
корневой системы. Первый способ – при корчевке мелких пней, второй – при
корчевании крупных пней с развитой корневой системой, а третий, когда пни
имеют высокую надземную часть и поверхностную корневую систему. Для
уборки выкорчеванных пней и порубочных остатков трактор совершает движение с опущенным отвалом, перемещая перед собой древесную массу, собирая
ее в кучи или валы. В процессе работы отвал удерживается на необходимой высоте при помощи выносных гидроцилиндров.
308
Корчевальные машины рычажного действия оборудуют специальными
опорными плитами, двуплечими поворотными рычагами (или системой гидроцилиндров), создающими максимальные усилия на корчевальных зубьях. Они
могут работать, заглубляясь под пень, сдвигать и поднимать его при извлечении из грунта, используя подъемный механизм, а также корчевать пень, заглубляясь зубьями и одновременно поворачивая корчевальный рычаг, извлекать
пень на поверхность.
Конструктивными параметрами в корчевальных машинах являются ширина захвата корчевателей, высота отвала с зубьями, размер, форма и число
зубьев, расстояние между зубьями, их заглубление, высота подъема отвала, величина опорной поверхности рамы корчевателя. Размеры узлов и деталей рабочего оборудования с учетом прочности рассчитывают по действующим нагрузкам и деформациям. Поворотный рычажный механизм, а также гидроцилиндры
выбирают с учетом усилий, возникающих в нижней части корчевальных зубьев.
При любом способе корчевки пня в его корнях создаются напряжения
растяжения. При прилагаемом корчевателем усилии Р, превышающем допустимые значения напряжения растяжения σр, происходит разрыв корней. Из всех
видов напряжений и деформаций древесины наиболее энергоемкой является
растяжение вдоль волокон.
Сопротивление корней разрыву Rp при их растяжении определяется по
формуле
Rp   p  F ,
(7.2)
σр – допустимое растяжение корней на разрыв, σр=2000…3000 кН/м2;
F – суммарная площадь поперечного сечения растягиваемых корней, величина которой принимается равной площади сечения пня на высоте 1/3
его диаметра.
При вытягивании пня вместе с ним отделяется от общего массива слой
почвы, расположенной над корнями и между ними. Сила, необходимая для
подъема пня вместе с почвой равна
G  Gпн  Gп  K , кН
(7.3)
где
где
Gпн – вес пня.
Gпн  hпн  aк d пн   д ,
где
hпн – высота пня над поверхностью почвы;
ак – глубина заглубления зубьев корчевателя;
(7.4)
309
dпн – диаметр пня в плоскости среза;
γд – объемный вес древесины.
Gп  1,5...2,0 Gпн ,
(7.5)
Gп – вес почвы находящейся на пне;
K – коэффициент, учитывающий сопротивление слоя почвы при отрыве
от общего массива, K – 1,5…1,8.
Работа корчевателя возможна только в том случае, когда выталкивающее
усилие будет больше суммарного сопротивления
Pв  Gпн  Gп  K ,
(7.6)
где
При расчете зубьев корчевателя принимают, что сила Pв приложена на
конце одного зуба и создает изгибающий момент в сечении ef (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Схема сил действующих на зуб корчевателя
M и  Pв  , кН∙м.
(7.7)
Если одновременно с выталкиванием производится толкание пня с усилием Pт в направлении движения, то зуб находится одновременно под воздействием обеих сил Pв и Pт, где толкающая сила трактора, передаваемая толкающей раме через свои движители, может быть определена по формуле
Pт  Gтр  Gоб    f  i , кН,
(7.8)
где
вен
Gтр – вес трактора, кН;
Gоб – вес навесного оборудования, монтируемого на трактор, кН;
f – коэффициент сцепления гусеничного движителя трактора с почвой;
i – уклон местности (знак «+» при движении трактора под уклон, знак «–»
при движении на подъем).
Изгибающий момент от действия обеих сил относительно сечения ef ра-
310
M и  Pв    Pт  H , кН∙м,
где
где
(7.9)
ℓ - расстояние в проекции на горизонтальную плоскость от оси поворота
зуба до линии действия силы Pв;
H – расстояние по вертикали от оси поворота зуба до линии действия силы Pт.
Для зуба с прямоугольным сечением момент сопротивления
bh 2
Wи 
, м2 ,
6
b и h – соответственно ширина и высота зуба.
Напряжение изгиба в сечении ef
M
P   Pт H
и  и  в
, кН/м 2 ,
Wи
Wи
(7.10)
(7.11)
В случае, когда корчеватель-собиратель на расстоянии 1…1,5 м от пня
опускает отвал, зубья которого под действием веса корчевального оборудования и толкающего усилия трактора заглубляются в грунт, подводятся под пень,
и пень вместе с массой грунта при продолжении поступательного движения агрегата сдвигается с места при условии Pтх>Rx, где Pтх – горизонтальная составляющая толкающей силы и Rx – суммарное сопротивление корней разрыву и
почвы смятию, определяемое по формуле
Rx  Rр.к.  Rд.п. ,
(7.12)
Rр.к. – сопротивление корней разрыву;
Rд.п. – сопротивление деформации почвы.
Корчеватель-собиратель одновременно с поступательным движением
производит некоторый подъем отвала с зубьями, то есть к пню прилагается дополнительно вертикальное усилие Pт.у. (рис. 7.2).
Сопротивление, возникающее при рыхлении почвы и вычесывании кустарника, сдвиге за пределы осваиваемой площади отдельных деревьев и камней, может быть определена по формуле
R  Rрп  Rсд  Rп , кН ,
(7.13)
где
где
Rрп – сопротивление рыхлению почвы и разрушению корневой системы
растительного слоя;
Rсд – сопротивление сдвигу кустарника, деревьев, камней и т.п. по почве;
Rп – сопротивление корчевателя-собирателя по почве.
311
Рис. 7.2. Схема к определению сил, действующих на пень при одновременном
сдвиге и подъеме его
Сопротивление Rпр равно
Rрп  Kba , кН ,
(7.14)
b – ширина захвата отвала, м;
а – глубина рыхления почвы зубьями, м;
K – коэффициент сопротивления рыхлению почвы и разрыву корней кустарника: K=40…50 кН/м2 – для дернового покрова и почв без корней,
K=100…200 кН/м2 – для почв со значительным содержанием корней кустарника;
φ – коэффициент неполноты рыхления почвы остающейся неразрыхленной между зубьями.
В зависимости от состояния почвы этот коэффициент может колебаться в
пределах 0,4…0,75. Нижний предел относится к малосвязным и сухим почвам.
Сопротивление сдвигу
Rсд  G1 f1 , кН
(7.15)
где
где
G1 – вес кустарника, деревьев и почвы, перемещаемых отвалом, кН;
f1 – коэффициент сопротивления перемещению кустарника, деревьев и
т.п. по почве, для кустов и деревьев 0,4…0,7, для камней 0,5…0,6.
Сопротивление перемещению корчевателя-собирателя
Rп  Gтр  Gоб   f  i , кН,
(7.16)
где
Gтр – вес трактора, даН;
Gоб – вес навесного оборудования, монтируемого на тракторе, кН;
f – коэффициент сопротивления перекатыванию трактора, f=0,08…0,15;
312
i – тангенс угла наклона пути к горизонту.
Таким образом, зная сопротивления, возникающие на рабочих органах
корчевальных машин, и их величину, а также размерно-весовые показатели перемещаемого корчевального оборудования, можно подобрать и рассчитать параметры гидроцилиндров подъема и опускания оборудования, поворота двуплечего корчевального рычага и т.п.
Производительность корчевальной машины определяется по формуле
60Т
Wсм 
,
(7.17)
tпн nпн
T – продолжительность смены, ч;
τ – коэффициент использования рабочего времени смены, τ=0,70;
tпн – продолжительность цикла корчевки одного пня, tпн=1…5 мин;
nпн – количество пней на одном га, шт.;
При полосной расчистке принимают nпн, равным количеству пней, приходящемуся на площади, занимаемой полосами.
где
7.2 Расчет гидроцилиндров
Исходные данные для расчета: Усилие Р, развиваемое на штоке гидроцилиндра, определяемое сопротивлением, возникающем на рабочем органе корчевателя или корчевателя-собирателя, рассчитываемым по приведенным выше
формулам; длина S хода штока поршня гидроцилиндра; скорость V движения
штока поршня гидроцилиндра. Последние две величины определяются кинематическими показателями машины (агрегата), для перемещения которых предназначен гидроцилиндр, используя для этого принципиальную схему агрегата,
выполненную с учетом требований проходимости, маневренности, устойчивости и т.п.
Порядок расчета следующий:
1. Находят расчетное усилие Ррасч:
P
Pрасч  K з в ,
(7.18)
Z
где Kз – коэффициент запаса, учитывающий временные перегрузки, силы
инерции, возникающие в начальный момент работы гидроцилиндра,
Kз=1,4…1,65;
313
Pв – сила определяемая по формуле (7.6);
Z – число гидроцилиндров, Z=2.
Сила Рв выдергивания пня принята в расчетах потому, что она является максимальной по сравнению с другими вариантами корчевания пней.
2. Определяют площадь F поперечного сечения гидроцилиндра в штоковой полости и его диаметр Dц.
Pрасч
F
,
(7.19)
q
где
q – рабочее давление в гидросистеме, q=16…100 даН/см2.
Dц 
где

4F
,
 1 - 2


(7.20)
d
, принимается в пределах ν=0,2…0,7 для Ррасч=10…10 кН;
Dц
d – диаметр штока.
После этого по действующему стандарту выбирают ближайший больший
диаметр.
3. Производят расчет толщины стенок гидроцилиндра. Для цилиндров из
чугуна расчет ведут по формуле

Dц 

2 
   q  1,
   q 
(7.21)
где
[σ] – допускаемое напряжение на растяжение.
Для определения толщины стенок цилиндра, изготавливаемого из стали
или латуни используют выражение

где
Dц 

2 
   q1-2   1,
   q1    
(7.22)
μ – коэффициент Пуассона: для стали μ=0,29…0,30, для латуни μ=0,26.
4. Рассчитывают длину штока
 шт.  1,25S
(7.23)
и его диаметр по формуле d    Dц .
После этого окончательно выбирают по справочным материалам тип и
номер гидроцилиндра.
5. Мощность, потребляемая гидроцилиндром, равна:
314
Nц 
PрасчV
ц
,
(7.24)
ηц=0,97…0,99 – к.п.д. гидроцилиндра.
6. Количество масла Qц, потребляемого гидроцилиндром в единицу времени находят по формуле
VF 
Qц 
,
(7.25)
 оц
где
где
F  – площадь поперечного сечения бесштоковой полости гидроцилиндра,
Dц2
F 
,
(7.26)
4
ηоц – объемный к.п.д. гидроцилиндра, ηоц=0,97…0,99.
Расчетные значения Qц и Nц используются при определении параметров
гидронасоса, приводящего в действие гидроцилиндр.
7.3 Тракторные кусторезы
Кусторезы предназначены для срезания кустарников и мелколесья на
уровне поверхности почвы или несколько выше (при применении кусторезов с
активными рабочими органами) при лесовосстановлении и удалении поросли
малоценных пород, закладке питомников, противопожарных разрывов и т.п.
Кусторезы различаются по типу рабочих органов (пассивные и активные), мощности трактора, месту расположения на тракторе (спереди, сзади или
сбоку), приводу активных рабочих органов (механический, гидравлический,
пневматический и электрический).
К кусторезам с пассивными рабочими органами относятся кусторезы Д514А, ДП-24, КОК-2. К кусторезам с активными рабочими органами – КОГ-2,3,
КОМ-2,3, КОН-2,3, КО-1,5. Наибольшее распространение и типовыми по конструкции являются кусторез с пассивным рабочим органом Д-514А, а с активным в виде фрезы – КОГ-2,3.
Кусторез Д-514А навешивается на трактор Т-100МГП, имеющий гидравлическое управление, и расположен впереди трактора. Основными узлами кустореза являются отвал с режущими ножами, толкающая рама, гидроподъемник.
В процессе работы ножи кустореза срезают попадающиеся кустарники и деревья диаметром до 15 см, а боковые левый и правый щиты сдвигают их в сторо-
315
ны, укладывая параллельными рядами.
Нож кустореза, толкаемый силой трактора Pтр (рис. 7.3), наклонен к линии движения кусторезы под углом θ и вдавливается в ствол по нормали к лезвию, производя при этом скользящее резание вдоль лезвия. На лезвии ножа
возникают реактивные силы: нормальные к лезвию N1 и N2 и касательные F1 и
F2. Равнодействующими этих сил являются R1 и R2. В процессе работы, если
сумма равнодействующих R1+R2>Pтр, следует снижать скорость движения агрегата, чтобы увеличить тяговое усилие, величина которого должна быть больше
суммарного сопротивления кустореза
Pтр  Gтр  Gоб  f  i   K др d ср nm,
(7.27)
где
Gтр – вес трактора, кН;
Gоб – вес навесного оборудования, монтируемого на трактор, кН;
f – коэффициент сопротивления перекатыванию трактора, f=0,08…0,15;
i – тангенс угла наклона пути к горизонту;
Kдр – удельное усилие резания древесины зависящее от породы,
Kдр=1,4…2,5 кН/м;
dср – средний диаметр срезаемой поросли и деревьев, м;
n – число срезаемых стволов, размещающихся на длине ножа;
m – коэффициент одновременности перерезания стволов, m=0,6…0,7.
Рис. 7.3. Схема действия сил при работе кустореза
Угол наклона лезвия ножа к направлению движения кустореза составляет
θ=30° (2θ=60°). Длину лезвия ножа определяют из выражения
Bк
Lл 
,
(7.28)
2 sin 
где Bк – ширина захвата кустореза, принимается равной Bк=(1,10…1,15)Bтр;
316
Втр – ширина трактора по наружным краям гусеничных лент.
Угол заточки фаски лезвия ножа 10°, а угол заточки самого лезвия – 30°.
Ширину и толщину ножей определяют расчетом их на прочность. Общую
опорную площадь полозков, удерживающих кусторез на заданной высоте от
поверхности почвы, вычисляют из соотношения
Gоб
 Fпол ,
(7.29)
qк
где
Gоб – вес оборудования;
qк – удельное давление, q=40…50 кН/м2;
Fпол – опорная поверхность полозьев кустореза.
317
Раздел восьмой
РАСЧЕТ ОТДЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
8.1 Расчет опорных колес
Колесо, служащее только опорой при движении, называют ведомым. Его
перекатывание происходит под действием силы тяги. Если к колесу приложить
вращающийся момент, то оно перемещается, отталкиваясь от поверхности, по
которой движется. В этом случае движущая сила – сила трения или сцепления
обода колеса с поверхностью. Такое колесо называют ведущим. Момент на оси
ведущего колеса создают действием внутренних сил, например от двигателя,
установленного на машине, но он может быть передан и извне.
В лесохозяйственных машинах колеса, как правило, ведомые. В некоторых из них (сеялки, сажалки, культиваторы) вращение ведомого колеса используют для передачи движения рабочим органам или механизмам. Такие колеса
называют рабочими ведомыми или ходовыми. Чтобы привод от ходового колеса был надежным, оно должно быть нагружено, так как от этого зависит сила
сцепления обода колеса с почвой. При недостатке сцепления колеса с почвой на
ободе ставят почвозацепы.
Применяют колеса с жестким ободом стальные или чугунные и с пневматическими шинами. Преимущества колес с пневматическими шинами – меньшее удельное давление на почву, меньшее уплотнение ее и, как следствие,
меньшее сопротивление качению, лучшее сцепление с почвой. В лесохозяйственных машинах применяют шины низкого давления. Они смягчают толчки и
удары при движении машины.
Колеса, какого бы типа не были, не должны оставлять на поверхности
почвы колею глубиной не более допустимой агротребованиями величины.
Уменьшение глубины колеи может быть достигнуто увеличением диаметра D и
ширины обода b колеса. Однако с увеличением диаметра колеса увеличиваются
его габаритные размеры и масса, поэтому выбор значений D и b сводится к
изысканию компромиссного решения, обеспечивающего получение малого
318
значения коэффициента сопротивления перекатыванию при допустимых габаритных размерах и массе колеса.
1. Диаметр обода металлического колеса определяют по формуле
Dк 
где
Q2
qb0 P03
, см,
(8.1)
Dк – диаметр колеса, см;
Q – вертикальная нагрузка на колесо, даН
для машин, кроме плугов
Q
Gм
,
Z
для плугов навесных
Q
2
Gм  0,5nк Rz ,
3
для прицепных и полунавесных плугов
Q
Gм  0,5nк Rz  ;
Z
Z – число колес на машине;
nк – количество корпусов плуга;
Rz – вертикальная составляющая сил сопротивления корпуса плуга, даН
Rz  0,2 Rx ,
Rx – горизонтальная составляющая сил сопротивления корпуса плуга,
даН,
q – коэффициент объемного сопротивления почвы, даН/см3 (табл. 8.1);
b0 – ширина обода колеса, см;
P0 – сопротивление перекатыванию машины, даН
P0  f  Q;
f – коэффициент сопротивления перекатыванию машины (табл. 8.1).
Ширина обода колеса находится по формуле
b0 
где
Q
,
P
(8.2)
P – допускаемая удельная нагрузка на единицу ширины обода колеса,
даН/см (табл. 8.1).
319
Таблица 8.1
Значения q, f, P
Характеристика условий
q, даН/см3
1. Свежевспаханное поле
0,20…0,40
2. Паровое поле
1,00…2,50
3. Задернелые почвы, залежь
3,00…4,50
4. Вырубки лесные
3,00…5,00
f
0,18…0,22
0,20…0,25
0,10…0,15
0,15…0,20
P, даН/см
20…30
30…40
40…45
40…45
Подставляя значения Q, q, b0 и P0 в формулу (8.1), определяют диаметр
колеса. Обычно в конструкторской практике применяют колеса, имеющие
следующие значения Dк и b0:
- для сеялок Dк=90…110 см, b0=9…11 см;
- для лесопосадочных машин Dк=80…90 см, b0=12…14 см;
- для культиваторов Dк=50…60 см, b0=12…14 см;
- для плугов Dк=55…70 см, b0=15…20 см.
Конструкция колес, применяемых в плугах и культиваторах показана на
рис. 8.1. Однодисковые колеса устанавливают в лесопосадочных машинах для
вырубок и культиваторах, двухдисковые – в плугах. В сеялках и лесопосадочных машинах для открытых площадей применяют колеса со спицами.
2. Определяют толщину обода колеса. Колесо при перемещении образует
колею глубиной hк=2…5 см (величина зависит от вредности почвы, нагрузки на
колесо и его размеров (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Опорное однодисковое колесо
Для расчета принимают, что колесо погружается на величину hк. Контакт
320
колеса с почвой ограничивается дугой АВ, длина которой равна
0 
2R
 h 
arccos1  к .
360
R

(8.3)
Принимают АВ как балку, закрепленную в точках А и В и нагруженную
силой G. Определяют изгибающий момент по формуле
M
G 0
.
b
Момент сопротивления в опасном сечении составит
W
где
M
,
 
[σ] – допускаемое напряжение материла обода при изгибе.
Толщина обода будет равна  0 
6W
.
b
3. Диаметр ступицы принимают равным d ст  0,2D.
4. Рассчитывают ось опорного колеса.
Опасным сечением оси колеса является ее сечение в месте заделки в
стойку (рис. 8.2). Изгибающие моменты в этом сечении:
D
b

M x  Q  b   Q0 ;
2
2

b

M z  P0   b ,
2

где
Q0 – осевое усилие;
Р0 – сопротивление перекатыванию;
Δb – зазор между колесом и стойкой, Δb=30…40 мм.
Рис. 8.2. К расчету оси опорного колеса
321
Осевое усилие Q  QK1 , где K1 – коэффициент сцепления колеса с почвой
(на лугоболотных почвах K1=0,8…1,0; на задернелых почвах K1=0,7; при пахоте
пара K1=0,4).
Находят момент сопротивления поперечного сечения оси
W
1,1 M x2  M y2
 
.
(8.4)
Отсюда диаметр оси колеса
d0  2  3
4W
.

(8.5)
8.2 Расчет основных параметров опорных полозьев
Опорные полозья чаще всего применяются на почвообрабатывающих
фрезах.
1. Параметры опорных полозьев фрезы должны выбираться с учетом возможности преодоления препятствий и обеспечения удельного давления на
грунт, не превышающего допустимого. Профильная кривая передней части
опорного полоза близка к окружности. Спереди полоз крепится шарнирно к раме фрезы, а задняя его часть имеет ряд отверстий для регулировки глубины обработки почвы. Чтобы полоз мог надвигаться на препятствие (пень), высота
расположения его переднего шарнира должна быть не менее высоты препятствия и находиться впереди оси барабана на расстоянии 0,7 Дб (рис. 8.3). В этом
случае радиус профильной кривой полоза будет равен
r
где
0,7 Dб 2  hпр2
Dб – диаметр барабана фрезы;
hпр – высота препятствий (пней).
2hпр
,
(8.6)
322
Рис. 8.3. К определению параметров опорного полоза
2. Расчет ширины полоза b ведется по допускаемому удельному давлению на грунт в зависимости от величины нагрузки на единицу сечения погруженной части полоза в почву:
2
Gф
3
b
,
2 2hr  h2 P 
(8.7)
2
Gф – давление на один полоз с учетом неравномерного распределения
3
веса фрезы на опорные полозья из-за бокового расположения механизма
привода барабана;
r – радиус профильной кривой полоза;
h – глубина погружения полоза в почву (h=2…3 см);
[P] – допускаемое удельное давление на грунт (для лесных вырубок
[Р]=10…15 кПа).
Кроме того, для уменьшения сопротивления трению при надвигании полоза на препятствие, величина угла а в самой верхней точке полоза должна
быть
где
  90 -  ,
где
γ – угол трения стали о дерево (γ=40°);
  arctg
0,7 Dб
.
r h
(8.8)
В этом случае, если угол α будет больше 90°-γ, необходимо перенести
шарнир крепления полоза на раме еще дальше вперед, в результате чего радиус
профильной кривой полоза возрастает, а угол α уменьшится.
323
8.3 Расчет и проектирование навесного устройства орудия
Правильное комплектование проектируемой машины с механизмом навески трактора должно отвечать следующим условиям:
параметры навесного устройства проектируемой машины должны соответствовать параметрам механизма навески трактора;
в рабочем положении должно обеспечиваться в заданных пределах копирование микрорельефа поверхности поля;
в транспортном положении необходимо выдерживать допустимые величины должного просвета и угла въезда.
Проектирование навесного устройства:
А. В продольно-вертикальной плоскости
1. Обосновывают параметры присоединительного треугольника навесного устройства машины (рис. 8.4, табл. 7.2), которые должны соответствовать
размерам присоединительных элементов навесного устройства трактора (табл.
7.3), показанного на рис. 8.5.
Рис. 8.4. К определению параметров присоединительного треугольника
Рис. 8.5 Принципиальная схема трехточечного навесного устройства трактора
324
2. В масштабе вычерчивают положение механизма навески трактора и его
заднего колеса (ведущей звездочки). Размеры присоединительных элементов
механизма навески тракторов даны в табл. 8.3. Агрегатируемая машина должна
быть в рабочем положении. При этом:
рабочие органы устанавливают на заданную глубину, опорные колеса –
на уровне поверхности почвы; положение рамы и других элементов машины
определяется по конструктивным и технологическим параметрам (у плугов раму устанавливают горизонтально);
присоединительный треугольник располагают вертикально. Линия, проходящая через точки А и D (рис. 8.4) должна быть перпендикулярна поверхности поля;
Таблица 8.2
Параметры присоединительного треугольника и размеры присоединительных
элементов навесных устройств тракторов (мм)
Параметры
Класс тяги трактора, кН
6…20
30…40
50…60
1. Высота присоединительного тре460
700 (900*) 750 (1200*)
угольника (высота стойки), ℓ
2. Длина оси подвеса (расстоянние
800
1000
1200
между осями шарниров тяг), ℓ
3. Диаметр отверстия шарнира верх25,5
30,5
40
ней тяги, D1
4. Ширина шарнира верхней тяги (не
51
80
100
более), b1
5. Диаметр отверстия шарнира ниж28,5
35
60
них тяг, D3
6. Ширина шарниров нижних тяг, b2
38
50
80
* Размер, рекомендуемый для присоединения плугов
нижние тяги I-D механизма навески трактора размещают наклонно под
углом δ=5…10° к горизонту;
с целью копирования микрорельефа почвы, нижние тяги механизма навески трактора должны иметь возможность перемещаться в нижнее положение
(точка D1). Положение точки D1 относительно поверхности поля определяется
325
высотой h3 (табл. 8.3);
разницу уровней положения точек D и D1 следует принимать в пределах
Δh=h1-h3=12…18 см.
3. Вычерчивают транспортное положение машины. Точку D нижних тяг
перемещают по дуге радиуса R (рис. 8.4), перемещают положение D2 на высоте
h2. Величина h2 дана в табл. 8.3.
4. Геометрическим построением определяют новое положение остальных
элементов механизма навески трактира, присоединительного треугольника, рамы, рабочих органов и других элементов машины. Положение механизма навески и машины на чертеже выполняют штриховыми линиями.
5. Определяют дорожный просвет hтр и угол въезда γ проектируемой машины в транспортном положении. Дорожный просвет hтр определяйся на чертеже между поверхностью поля и самой нижней точкой машины. При проектировании необходимо, чтобы дорожный просвет был не менее hтр=500 мм.
Угол въезда γ определяется между горизонтальной поверхностью поля и
лучом QМ, проведенным из точки Q к элементам машины, закрепленным в ее
нижней части. Угол въезда должен быть не менее α=20...25°.
Б. В поперечно-вертикальной плоскости
(рис. 8.6)
Проектирование проводят для случаев, когда необходимо показать взаимное размещение трактора, механизма навески и машины. Это необходимо
делать, например, при агрегатировании плугов общего назначения с колесными
тракторами, для агрегатов, работающих на склонах, и в некоторых других случаях. При проектировании определяют параметры правого и левого раскосов
механизма навески фактора и положение рамы.
Рис. 8.6. Присоединительные элементы навесного устройства трактора
326
Таблица 8.3
Основные кинематические параметры механизмов навески тракторов
rк,
x1,
x4,
y1,
y2,
R,
h2,
h3,
hт,
ат,
Gт ,
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
мм
даН
Т-40А
555
0
350
60
262
750
950
200
823
860
2540
МТЗ-80/82
730
225
412
245
90
870
950
200
772
852
3000
ДТ-75
431
292
340
18
640
825
1040
50
730
1245
5750
Т-74
415
170
240
0
650
825
1060
150
675
1170
5520
Т-130
580
320
370
20
690
1200
1450
250
845
1177
11000
Т-4А
459
353
443
40
610
887
1088
178
713
1163
7550
ЛХТ-55
640
245
552
20
565
950
1050
50
830
1300
9400
Марка трактора
327
В. Проектирование положения навесного устройства и машины
в горизонтальной плоскости
1. Выбирают схему механизма навески (двух- или трехточечная).
2. Проектируют взаимное размещение трактора и машины с их механизмами навески.
3. Уточняют размещение присоединительных точек навесного устройства
относительно рамы машины.
Г. Расчет присоединительного треугольника
Навесные устройства орудий, навешиваемых на трактор, являются пространственными конструкциями, передающими усилия трактора на раму орудия (машины).
Во время работы орудия раскос работает на поперечный и продольный
изгиб, а стойки – на растяжение. При поднятом орудии раскос работает на изгиб и растяжение, стойки – на продольный изгиб от их сжатия.
При проектировании рекомендуется проводить расчет на прочность стоек
присоединительного треугольника орудия в транспортном положении. В транспортном положении на орудие действует его сила тяжести Gм, однако при этом
необходимо учитывать, что при транспортировке машин по лесным дорогам,
когда трактор переезжает через неровности дороги, нередки случаи резкого
подбрасывания орудия вверх с последующим падением вниз, при этом на орудие действуют инерционные силы, суммарная сила которых приложена в центре тяжести орудия, направлена вниз, и значение ее достигает величины, примерно равной силе тяжести орудия.
1. Вначале определяют силу Рк (в верхней тяге навески трактора), действующую на раскос (рис. 8.4):
Pк 
где
2Gм G
,
p
(8.9)
Gм – сила тяжести орудия с учетом инерционных сил;
ℓG – кратчайшее расстояние от линии действия силы Gм до точки D2;
ℓр – кратчайшее расстояние от линии действия силы Рк до точки D2.
2. Рассчитывают нагрузку S на каждую стойку присоединительного тре-
328
угольника:
S
где
Pк sinAC
,
2 cos BC cos90 - 
(8.10)
АС – длина раскоса;
ВС – часть длины раскоса между точками В и С;
α – угол между направлением силы Рк и продольной осью раскоса;
ψ – угол между стойками и раскосом;
γ – половина угла между стойками навесного треугольника, определяемая
из выражения
  arctg

,
2BD
(8.11)
ℓ – длина оси подвеса (рис. 8.6 и табл. 8.2);
BD – расстояние между точками В и D на боковой проекции орудия.
Стойки обычно изготовляют из полосовой стали прямоугольного сечения.
Расчет стоек значительно упрощается, если, задавшись параметрами их
сечения, этот расчет вести как проверочный.
Параметры поперечного сечения полос рекомендуется принимать в следующих пределах: толщина h=15…25 мм, ширина b=50…80 мм. Большие значения b и h принимают для орудий, агрегатируемых с тракторами класса 30 кН
и выше.
3. Расчетное напряжение в каждой стойке равно
где

где
(8.12)
F – площадь поперечного сечения полосы F=bh;
φ – коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при продольном
изгибе, зависящий от гибкости стойки λ, определяемой из выражения

где
S
  ,
F

,
r
(8.13)
μ – коэффициент приведенной длины (при шарнирном закреплении обоих
концов стоек – μ=1; если один конец закреплен жестко, а другой шарнирно – μ=0,7);
ℓ – длина стойки, равная

BD
,
cos 
(8.14)
329
r – радиус инерции поперечного сечения стойки, равный
r
bh
.
4
(8.15)
Значения коэффициента φ от гибкости λ стоек, изготовленных из стали
Ст.3, приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Гибкость, λ
Коэффициент, φ
Гибкость, λ
Коэффициент, φ
10
0,99
110
0,52
20
0,96
120
0,45
30
0,94
130
0,40
40
0,92
140
0,36
50
0,89
150
0,32
60
0,86
160
0,29
70
0,81
170
0,26
80
0,75
180
0,23
90
0,69
190
0,21
100
0,60
200
0,19
3
Для стали Ст.3 [σ] = 14000 Н/см .
8.4 Расчет предохранительных устройств лесохозяйственных
машин
В большинстве лесохозяйственных машин имеются вращающиеся рабочие органы (фрезбарабаны, посадочные аппараты в лесопосадочных машинах,
высевающие аппараты в сеялках, метатели грунта в противопожарных машинах
и др.), для защиты от перегрузок которых широко применяют фрикционные и
кулачковые муфты. Составной частью этих устройств являются витые цилиндрические пружины.
Ведущие диски фрикционной муфты жестко соединяются с приводным
валом, а ведомые соединены с рабочими органами имеют свободную посадку,
но вращаются вместе с валом за счет сил трения, возникающих между ведущими и ведомыми дисками под действием осевого усилия нажимных пружин (рис.
8.7). При наезде на препятствие вращение диска рабочих органов прекращается,
так как момент силы, действующей на него со стороны препятствия, превышает
330
момент, создаваемый силами трения между дисками. Другие же рабочие органы, расположенные на одном валу вращения, при этом продолжают вращаться
и находиться в рабочем режиме.
Порядок расчета фрикционных муфт следующий.
1. Определяют крутящий момент Мкр, при котором муфта срабатывает
М кр  Pпр r ,
где
(8.16)
Pпр – усилие срабатывания предохранительного механизма;
r – плечо силы, приложенной к рабочему органу.
Усилие срабатывания
Pср  R ,
где
(8.17)
R – среднее сопротивление рабочих органов при использовании машины
в наиболее тяжелых условиях;
δ – коэффициент неравномерности рабочего сопротивления.
Рис. 8.7. Типы предохранительных муфт
а – фрикционная; б – кулачковая
2. Рассчитывают наружный rн и внутренний rвн радиусы кольца трения.
По конструктивным соображениям принимают
t
rвн 3 4
 ... .
rн 4 5
Для определения rн и rвн используют следующие две зависимости:
а)
где
 

Pос  Pmin  Pуд  rн2 - rвн2 ,
(8.18)
Pос=Pmin – осевое усилие предварительной деформации нажимной пружины;
[Pуд] – допустимое удельное давление на фрикционную поверхность,
[Pуд]=2,5…3,5 даН/см2.
331
Pос  Pmin 
где
M кр
,
 rн  rвн 

i  f
 2 
(8.19)
i – число фрикционных поверхностей;
f – коэффициент трения фрикционных поверхностей, f=0,25…0,4.
Приравняв значения Pос из формул (8.18) и (8.19), получим:
P  r
уд
2
н

- rвн2 
2M кр
rн  rвн   i  f
.
Преобразовав это уравнение и подставив в него принятое значение
rвн
 t , найдем
rн
rн  3
2M кр

 Pуд  i  f 1  t  1  t 2
.
(8.20)
3. По формуле (8.20) определяют силу предварительной деформации
пружины и рассчитывают ее параметры.
Кулачковые предохранительные муфты (рис. 8.7) устанавливают на лесопосадочных машинах, карданных валах опрыскивателей, опыливателей и ряде
других машин. Принцип их действия такой же , что и у фрикционных муфт, но
вращение ведомого диска с ведущим осуществляется за счет сцепления кулачковых поверхностей под действием пружины сжатия.
Расчет кулачковых муфт сводится к определению осевого усилия, которое должна развивать нажимная пружина, гарантируя включение устройства
при перегрузках:
Pос 
2M кр
 rн  rвн 

 tg   
 2 
,
(8.21)
α – угол подъема кулачка на среднем радиусе, α=20…40°;
φ – угол трения поверхностей кулачков; для кулачков из стали без смазки
φ=8…10°;
rн и rвн – наружный и внутренний радиусы кулачковой поверхности (табл.
8.7).
По силе Pос производят расчет нажимной пружины. Основными геометрическими параметрами витых цилиндрических пружин являются:
где
332
d – диаметр проволоки;
D – средний диаметр пружины;
Dн – наружный диаметр пружины, Dн=2rн;
Dвн – внутренний диаметр пружины, Dвн=2rвн;
C=D/d – индекс пружины;
t – шаг витков;
H0 – полная высота пружины;
z – число рабочих витков;
z1 – полное число витков.
Индекс пружины выбирают в зависимости от диаметра проволоки по
табл. 8.5.
Таблица 8.5
d, мм
1…2,5
3…5
6…12
C
5…12
4…10
4…9
Для увеличения податливости пружины индекс C принимают возможно
большим. Обычно С=4…12.
Увеличив индекс пружины, можно при той же жесткости сократить ее габариты по длине за счет увеличения диаметра, и, наоборот, уменьшив индекс,
можно уменьшить диаметр пружины за счет увеличения длины.
При расчете пружины и построении ее характеристики используются:
1. F1, F2, F3 – минимальная (предварительная), максимальная рабочая и
предельная, соответственно, нагрузки. Значения этих параметров обычно назначают исходя из требований к конструкции механизма, для которого проектируется пружина. Можно пользоваться также рекомендациями:
F1=(0,1…0,5)F2;
F3=(1,05…1,66)F2;
где F2 – задается или рассчитывается по формуле (8.21), то есть F2=Pос – осевое усилие.
2. f1, f2, f3 – минимальная (предварительная), максимальная рабочая и предельная деформации пружины.
Для пружин растяжения необходимо знать силу предварительного натяжения F0 (при навивке вплотную виток к витку). Значения F0 от предельной нагрузки составляют:
333
при d≤5 мм
F0=0,3F3,
при d>5 мм
F0=0,25F3.
Прочность пружин сжатия и растяжения по касательным напряжениям по
зависимости

8F2 DK
  к ,
d
(8.22)
[τк] – допускаемое напряжение, даН/см2;
K – коэффициент, учитывающий влияние кривизны витков, котрый принимается в зависимости от индекса пружины С (табл. 8.6).
Таблица 8.6
С
4
5
6
8
10
12
K
1,37
1,29
1,24
1,17
1,14
1,11
где
или определяется по формуле
K
4C  2
.
4C  3
(8.23)
Допускаемое напряжение для витых цилиндрических пружин сжатия и
растяжения принимается [τк]=0,4σв и кручения [τк]=0,8σи,
где σв – предел прочности проволоки при растяжении, который находится в
зависимости от ее диаметра;
σв=16500…18000 даН/см2 – для проволоки диаметром d=3…4 мм;
σв=16000…14700 даН/см2 – для проволоки диаметром d=4,1…5 мм;
σв=14500…13500 даН/см2 – для проволоки диаметром d=5,1…8 мм.
Из формулы (8.22), заменив D/d=C, получим значение диаметра проволоки пружины
d  1,6
KCF2
,
 к 
(8.24)
Средний диаметр D пружины равен
D  C  d , мм,
(8.25)
Dн  D  d, мм.
(8.26)
а наружный диаметр
Число рабочих витков пружины
334
Gd 4 f 2
z
,
8F2 D3
где
(8.27)
G – модуль сдвига материала проволоки пружины, для стали G=8∙104 даН;
f2 – осадка пружины под действием нагрузки F2 (Pос), для кулачковой
муфты f2=h;
h – высота кулачка (табл. 8.7);
d – диаметр проволоки, мм;
D – средний диаметр пружины, мм.
Полное число витков
z1  z  1,5...2.
(8.28)
Высота пружины сжатия в свободном состоянии
H 0  H 3  z t  d ,
где
(8.29)
H3 – высота пружины при полном ее сжатии,
H 3   z1  0,5d ,
(8.30)
t – шаг пружины в свободном состоянии
t d 
где
f2
 S,
z
(8.31)
S – зазор между витками
S  0,1d .
Диаметр вала, мм
20
22
25
28
32
35
40
dвн, мм
28
30
32
35
40
45
50
(8.32)
dн, мм
40
45
50
55
60
70
80
Таблица 8.7
h, мм
4
4
4
4
6
6
6
Длина проволоки
L  3,14Dz.
Для пружин растяжения
(8.33)
335
где
H 0  zd  2h3,
(8.34)
h  0,5...1,0D,
(8.35)
H 3  H 0  1,1...1,2 f 2,
(8.36)
L  3,14Dz1   3,
(8.37)
h3 – высота зацепа
где ℓ3 – длина проволоки, необходимая для крючка-зацепа с одного конца
пружины
3
 3  d .
4
(8.38)
Устойчивость пружины проверяют по формуле
H 0 /D  2,6.
(8.39)
При невыполнении этого условия пружину контролируют в гильзе или на
оправке.
Жесткость пружины
сжатия
C
F2
,
f2
растяжения
C
F2 - F0  .
(8.40)
(8.41)
f2
8.5 Расчет устойчивости агрегата
Различают продольную и поперечную устойчивость агрегата. Навесной
агрегат имеет низкую устойчивость при наезде на препятствие или при движении вверх по склону в момент трогания с места, когда орудие находится в
транспортном положении.
Продольная устойчивость агрегата характеризуется критическим углом
наклона.
Максимальный угол наклона αmах рассчитывают по формуле
aт - ам - hт    hм 
tg max 
где
hт    hм
V
gt
,
(8.42)
ат, ам, hт, hм – координаты центра тяжести трактора (берутся из спра-
336
вочной литературы, см. табл. 8.3) и орудия (машины), когда она находится в транспортном положении (принимаются ориентировочно с использованием кинематической схемы орудия);

Gм
;
Gтр
Gтp – сила тяжести трактора;
Gм – сила тяжести машины;
V – скорость движения трактора, м/с;
g=9,81 м/с2;
t – время трогания с места (t=1 с).
При движении агрегата по склону фактический угол наклона местности
не должен превышать максимального.
Поперечная устойчивость агрегата характеризуется предельным углом
поперечного наклона, определяемого для случая, когда орудие находится в
транспортном положении и когда агрегат движется по выпуклой кривой, то
есть когда центробежные силы инерции направлены в сторону опрокидывания.
Критический угол наклона βmах равен
tgmax
B
V2
B 
      hт    hм 
2
gr
2


,
2
B
V
B



hт    hм       
2
 gr
2
(8.43)
В – ширина колеи трактора (берется из справочной литературы);
ℓ – поперечное смещение центра тяжести навесного орудия относительно
центра тяжести трактора. При этом принимают, что центр тяжести трактора расположен на продольной оси симметрии;
r – радиус кривизны движения агрегата (r=5 м).
С целью устранения опасности поперечного опрокидывания агрегата при
движении поперек склона вследствие динамического воздействия микронеровностей фактический угол наклона местности βфакт не должен быть более
(0,4…0,6)βmах.
где
337
Раздел девятый
НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ СОВРЕМЕННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ САМОХОДНЫХ ЛЕСНЫХ МАШИН
9.1
Специализированные лесозаготовительные машины
Для комплексной механизации лесосечных работ в нашей стране разработаны и серийно выпускаются в настоящее время как однооперационные,
так и многооперационные машины.
К однооперационным машинам относятся валочные ВМ-4 и ВМ-55, машины для бесчокерной трелевки ТБ-1 и ЛП-18А с гидроманипуляторами и
тракторы с пачковыми захватами ЛТ-89 и ЛТ-154 на гусеничном ходу и ЛТ-157
на колесном ходу, самоходные сучкорезные машины ЛП-ЗОБ и ЛП-33,
челюстные погрузчики леса ПЛ-1, ПП-2 и ПЛ-3.
Последние годы характеризуются заметной интенсификацией работ по
разработке эффективных средств машинной валки деревьев как у нас в стране,
так и за рубежом (Швеция, Канада, США, Финляндия). Объясняется это тем,
что с валки леса начинается любой технологический процесс лесозаготовок,
поэтому способы выполнения этой операции определяют конструкцию рабочих
органов машин в целом.
В серийном производстве в нашей стране была одна валочная машина
ВМ-4 (рис. 9.1), состоящая из следующих узлов: ходовой части, двигателя,
кабины с ограждением, механизма срезания с подвеской, механизма повала
деревьев, бульдозерного отвала со снегоочистителем, технологического рычага,
наклонной балки, гидросистемы.
С помощью технологического рычага и наклонной балки комли поваленных деревьев перекидывались на другую сторону машины, что обеспечивало беспрепятственный её проход вдоль растущего леса для валки деревьев
на очередной ленте и создавало более благоприятные условия для работы
трелевочных тракторов.
Базой машины являлся трелевочный трактор ТТ-4. Механизм срезания
деревьев представлял собой консольный пильный аппарат с цепью ПЦУ-30 и
338
скоростью резания 18 м/с. максимальный диаметр срезания деревьев у пня
составлял 1,2 м. Механизм направленной валки деревьев - рычаг телескопического типа, установленный над кабиной машины. За один проход машина
ВМ-4 осваивала полосу леса шириной до 2,5 м.
Рис. 9.1. Машина ВМ-4: 1 - ходовая часть; 2 - механизм срезания
деревьев; 3 - кабина; 4 - ограждение; 5 - механизм повала деревьев; 6 технологический рычаг; 7 - наклонная балка
В настоящее время НПО «Промлес» предложило малогабаритную
валочную машину ВМ-55 (рис. 9.2), предназначенную для срезания и направленного повала деревьев при проведении рубок главного и
промежуточного пользования леса.
Рис. 9.2. Машина ВМ – 55
Машина массой 3600 кг оснащена дизельным двигателем мощностью
18,7 кВт и развивает скорость до 9 км/ч. Консольный пильный аппарат
механизма срезания осуществляет валку деревьев диаметром до 0,45 м.
Механизмом направленной валки машины является телескопический рычаг с
339
грузовым моментом 10 кН·м.
При габаритных размерах 3000х2000х2800 мм производительность
машины составляет 8 м3/ч.
Трелевка леса является одной из наиболее трудоемких и важнейших
операций на лесозаготовках. На ее долю приходится 25…30 % трудозатрат по
лесосечным работам и 10…12 % всех трудозатрат по комплексу лесозаготовительного производства.
Она осуществляется в трудных условиях, при полном бездорожье, на
любых грунтах, по чернотропу и по снегу, с преодолением многочисленных
препятствий.
В наше время широко распространена факторная трелевка леса, на долю
которой приходится до 87 % основного объема работ. Объясняется это тем, что
благодаря мобильности трелевочных тракторов лес можно подвозить к любому
пункту лесовозной дороги.
До сих пор серийно выпускаются и широко применяются на предприятиях отрасли тракторы для бесчокерной трелевки с гидроманипуляторами и
зажимными кониками ТБ-1 и ЛП-18А и тракторы с пачковыми захватами на
гусеничном ходу (ЛТ-89 и ЛТ-154) и колесном - ЛТ-157.
С помощью гидроманипуляторов проводится поштучный сбор заранее
поваленных деревьев и формирование из них пачки в конике трактора.
Пачковые же захваты предназначены для работы с заранее сформированной
пачкой. Таким образом, основное технологическое различие между манипулятором и пачковым захватом заключается в принципе формирования пачки: в
первом случае пачка формируется самим трелевочным трактором, во втором другой машиной, как правило, валочно-пакетирующей.
Отличие от манипуляторных тракторов заключается еще и в том, что
погруженная пачка удерживается не в конике, а в самом захвате.
Трактор ТБ-1 (рис. 9.3) отличается от базовой модели (трелевочный
трактор ТДТ-55А) тем, что на нем вместо погрузочного щита и лебедки
установлен гидроуправляемый манипулятор с клещевым захватом, а также
управляемый коник для формирования пачки. Управление технологическим
оборудованием осуществляется из кабины трактора, которая оснащена поворотным сиденьем и дублированным управлением двигателя.
Операция формирования пачки гидроманипулятором состоит из сле-
340
дующих приемов: подъезд к пачке (обычно к отдельно лежащему дереву)
задним ходом трактора с правой стороны; захват гидроманипулятором от двух
до трех деревьев; подъем дерева гидроманипулятором и укладка в зажимное
устройство коника; зажатие в конике пачки деревьев; установка гидроманипулятора в транспортное положение.
Собрав пачку объемом до 8 м3 тракторист трелюет ее к месту очистки от
сучьев или на погрузочную площадку и сбрасывает на грунт.
Сброс пачки состоит из двух элементов:
- раскрытие зажимных рычагов коника захватов и разгрузка пачки деревьев движением вперед при раскрытых рычагах коника. Гидроманипулятор
рассчитан на подъем, подтаскивание и укладку в коник деревьев объемом до 3
м3. Зажимное устройство коника обеспечивает надежное закрепление как
одного дерева, так и пачки деревьев. Коник приспособлен для трелевки
деревьев как за комли, так и за вершины.
Рис. 9.3. Трелевочная машина ТБ-1 на базе трактора ТДТ-55А: 1 - гидроманипулятор; 2 - захват; 3 – зажимной коник; 4 - толкатель; 5 – кабина
Трактор ТБ-1 предназначен для использования в лесосеках со средним
объемом хлыста до 0,5 м3 на равнинных и всхолмленных площадях с различными грунтами.
Конструкция и технологический цикл трактора ЛП-18А при наборе пачки
соответствует циклу трактора ТБ-1.
Помимо машин с гидроманипуляторами на лесосечных работах широкое
применение нашли гусеничные и колесные машины с клещевым захватом ЛТ89, ЛТ-154, ЛТ-157 и ЛТ-171.
341
Технологическое оборудование трактора ЛТ-89 (рис. 9.4) состоит из
стрелы, клещевого захвата, лебедки и гидросистемы. Колесные тракторы,
кроме того, снабжаются еще щитом, расположенным сзади.
Стрела - арочного типа, состоит из двух дуг С-образной формы и
предназначена для подъема и опускания клещевого захвата и удержания его в
заданном положении. Изменение вылета стрелы осуществляется двумя
гидроцилиндрами.
Клещевой захват служит для захвата пачки деревьев (хлыстов), уложенных
на земле, и удержания ее в полуподвешенном состоянии в процессе трелевки.
Рис. 9.4. Трактор ЛТ-89: 1- рама; 2 - ходовая система; 3 - толкатель; 4 кабина; 5 - двигатель; 6 - лебедка; 7 - стрела; 8 – захват
Захват состоит из траверсы, двух криволинейных клыков, шарнирно соединенных с траверсой, и синхронизатора, обеспечивающего раскрытие и
закрытие обоих клыков на одинаковое расстояние независимо от действующих
на них усилий. Захват открывается и закрывается гидроцилиндром, расположенным внутри траверсы.
Для надежного удержания пачки или единичных деревьев при трелевке
захват снабжается канатным увязочным устройством с приводом от
реверсивной однобарабанной лебедки.
Технологическое оборудование трактора ЛТ-154 состоит из тех же узлов,
что и ЛТ-89, но более усиленных.
В настоящее время на базе трактора ЛТ-157 (рис. 9.5) создана машина для
бесчокерной трелевки ЛТ-171. Технологическое оборудование этой машины
включает пачковый захват, механизм поворота захвата, механизм подвески
захвата, лебедку, передний толкатель, гидропривд.
342
Механизм подвески захвата параллелограммного типа. Это дает
возможность выносить захват на 2,6 м за заднюю ось трактора, что облегчает
подбор пачки, уменьшает маневрирование трактором и позволяет
преодолевать труднопроходимые участки волока.
Рис. 9.5. Трактор ЛТ-157: 1 - захват; 2 – стрела захвата; 3 - кабина;
4 - толкатель
Механизм поворота захвата (210° вокруг вертикальной оси) позволяет при
захвате пачки устанавливать трактор по отношению к её оси под углом 90⁰, что
значительно облегчает операцию подбора пачки и сокращает ее
продолжительность.
Конструкция механизмов ЛТ-171 позволяет за один рейс подбирать до грех
небольших пачек, за счет чего увеличивается рейсовая нагрузка и сменная
выработка машины, достигающая 100 лг при расстоянии трелевки до 300 м.
Для бесчокерной трелевки в последнее время появились машины МЛ-136,
МЛ-127С и МЛ-128А с пачковыми захватами и трактор МДТ-374 с гидроманипулятором и клещевым захватом. Все эти тракторы, кроме МЛ-136,
выполнены на колесном ходу.
Машина МЛ-136 (рис. 9.6) выпускается Ковровским экскаваторным
заводом на базе трактора ТБ-1М-15, технологическое оборудование которого
массой 3600 кг обеспечивает трелевку пачки объемом до 7м3.
Машина оснащена платформой, которая может поворачиваться как влево,
так и вправо на 90°. Угол поворота челюстного захвата не ограничен, так как
осуществляется полноповоротным ротатором. Часовая производительность
машины при расстоянии трелевки до 300 м и объеме пачки 5,5 м3 – не менее 30
м 3.
343
Рис. 9.6. Машина МЛ-136
Машина МЛТ-374 (рис. 9.7) выполнена с клещевым захватом и
гидроманипулятором и предназначена для подбора деревьев и хлыстов,
формирования пачек и их трелевки при проведении, любых видов рубок.
Рис. 9.7. Машина МЛТ-374
На машине установлен двигатель мощностью 88 кВт и четырехступенчатая
синхронизированная коробка передач со скоростями вперед - 1,8…27,7 и назад
- 3,2…7,3 км/ч. Гидроманипулятор имеет вылет 7,6 м, площадь сечения
зажимных коников клещевого захвата - 1,1 м3, объем трелюемой пачки – 7…8
м 3.
В последнее время в нашей стране заметное влияние уделяется развитию
сортиментной заготовки леса в условиях лесосеки. Для сбора и трелевки на
погрузочный пункт заготовленных сортиментов созданы машины, называемые
форвардерами, МЛ-104, МЛ-131, ТБ-1-16, МЛТП-364 иЛТ-189М. Все эти
машины, кроме ТБ-1-16, выполнены на колесном ходу.
Форвардер ТБ-1-16 состоит из модернизированного базового трактора ТБ1-14, оснащенного гидроманипулятором (вылет 8 м, грузовой момент - 80
кН·м, угол поворота в горизонтальной плоскости - 380°) и колесного полуприцепа. Наибольшая длина транспортируемых сортиментов - 6,5 м, а объем
344
перевозимого груза обычно составляет 10 м3.
Машина МЛ-131 (рис. 9.8) предназначена для сбора, погрузки и
транспортировки сортиментов по лесосекам и волокам, а также для их
разгрузки, сортировки и складирования. Полезная нагрузка машины
составляет 100 кН при длине транспортируемых сортиментов 2,0…6,6 м.
Рис. 9.8. Машина МЛ – 131
Машина оснащена дизельным двигателем с турбонаддувом мощностью 77
кВт и развивает скорость до 30 км/ч.
На машине установлен гидроманипулятор с грузовым моментом 65 кН·м и
максимальным вылетом 7,1 м. Масса машины – 13000 кг, грузовая платформа
- сварная с ограждением передней части и стойками на ее боковых сторонах.
Форвардер МЛПТ-364 (рис. 9.9) обладает высокой проходимостью и
пригоден для круглогодичной эксплуатации в условиях равнинной и
пересеченной местности на грунтах различных категорий и на снежной
целине.
Рис. 9.9. Машина МЛПТ-364
Форвардер изготовлен на базе специального шасси, основные узлы и
агрегаты которого унифицированы с тракторами «Беларусь». На машину
установлен двигатель мощностью 114 кВт и манипулятор с грузовым
345
моментом 70 кНм, вылетом стрелы - 8,38 м и углом поворота - 370º.
Грузоподъемность машины при длине перевозимых сортиментов 2,0- 6,5 м
составляет 120 кН, масса машины - 14200 кг.
Форвардер МЛ-104, выпускаемый ОАО «Арзамаский машзавод», оснащен
гидроманипулятором фирмы «Логлифт» с грузовым моментом 66 кН·м и
максимальным вылетом стрелы 10 м для сбора и погрузки сортиментов в
условиях лесосеки. На машине установлен дизельный двигатель с
турбонаддувом мощностью 90 кВт. Масса машины составляет 14500 кг при
полезной нагрузке 100 кН.
АО «Дормаш» (г. Орел) выпускает форвардер ЛТ-189М (рис. 9.10),
предназначенный для проведения всех видов рубок леса с сортиментной
заготовкой древесины в комплексе с многооперационными машинами, а также
при валке леса бензопилами.
Рис. 9.10. Машина ЛТ – 189М
Машина имеет дорожный просвет 0,6 м, вылет манипулятора - 10 м,
максимальную нагрузку на рейс - 11 м3 при длине сортиментов 2,0…6,0 м.
Производительность при расстоянии трелевки до 500 м составляет 45…60
м3/смену.
Организация сортиментной технологии заготовки леса на лесосеке потребовала разработать специальный транспорт, осуществляющий погрузку
сортиментов, их транспортировку и разгрузку. Применение такого транспорта
позволяет осуществлять автономные перевозки, сделать их независимыми от
наличия погрузочно-разгрузочных средств, что очень важно при применении
данного технологического процесса лесозаготовок.
Автомобили - сортиментовозы Соломбальского машзавода на базе шасси
КамАЗ, МАЗ, Урал и КрАЗ оснащены гидроманипуляторами, разработанными
заводом по документации финской фирмы «Логлифт» с грузоподъемным
346
моментом 55, 65, 90 и 140 кН·м.
Эти гидроманипуляторы имеют вылет стрелы соответственно 8,41; 7,1; 7,8
и 8,9 м с углом поворота 380…410º. Масса (без ротатора и грейфера) колеблется в пределах 1250…2850 кг в зависимости от грузоподъемности. Масса
же грейфера на всех моделях составляет 190 кг.
Сортиментовозы этого завода предназначены для перевозки и
самопогрузки сортиментов в составе одиночного автомобиля (рис. 9.11) или
автопоезда (рис. 9.12).
Рис. 9.11. Сортиментовоз на базе автомобилей МАЗ
Гидроманипулятор может устанавливаться за кабиной автомобиля илй на
задней части грузовой платформы, что позволяет обслуживать одним
манипулятором тягач и прицеп, а также несколько сортиментовозов без гидроманипулятора.
Рис. 9.12. Автопоезд на базе автомобилей КамАЗ
ЗАО «Транслес» разработало целый ряд сортиментовозов на базе разных
347
автомобилей: ТМ-45, ТМ-78, ТМ-80 и ТМ-82.
Сортиментовоз ТМ-45 (рис. 9.13) создан на базе автомобилей
семейства КамАЗ в шести модификациях и предназначен для перевозки
сортиментов длиной 2,0…6,5 м по дорогам общей сети и ведомственным
лесовозным дорогам.
Рис. 9.13. Сортиментовоз ТМ-45
Сортиментовозы ТМ-45 оборудованы гидроманипуляторами ПЛ-70-02 и
имеют грузовместимость (в зависимости от модификации) от 10,6 до 18,4 м3
9.2. Анализ существующих конструкций харвестеров
В настоящее время в зарубежных странах получили распространение одномодульные харвестеры специального назначения, базирующиеся на специально разработанных шасси (рис. 9.14) (например, Timberjack 1470D, Ponsse Ergo и др.), и харвестеры, агрегатируемые на базе экскаватора (рис. 9.15) (например, Volvo, Kobelco и др.).
Рис. 9.14. Харвестер на базе специального назначения (Valmet 921)
348
Рис. 9.15. Харвестер на базе экскаватора (Volvo)
Харвестеры специального назначения по типу шасси делятся на колесные, гусеничные и шагающие. При этом колесные машины имеют шарнирносочлененную раму, состоящую из переднего и заднего модулей (полурам), соединенных универсальным шарниром.
По компоновке технологического оборудования специальные колесные
харвестеры можно разделить на две группы:
1) С передним моторным и задним технологическим модулями (рис.
9.16). В этом случае на переднем модуле размещается энергетическая установка
машины и монтируется кабина оператора. На технологическом модуле размещен манипулятор с харвестерной головкой. По данной схеме скомпонованы,
например, харвестеры Ponsse Ergo и Beaver.
2) С задним моторным модулем и передним технологическим (рис. 9.17).
Кабина оператора находится на технологическом модуле. На таких машинах
кабина либо неподвижна, либо имеет возможность наклона для установки в горизонтальное положение при крене машины. Обычно перед кабиной расположен манипулятор с харвестерной головкой (например, харвестеры Timberjack
1270 D и 1470 D). Кабина может располагаться вместе с манипулятором и на
полноповоротной платформе.
У гусеничных харвестеров специального назначения и харвестеров на базе экскаваторов кабина, манипулятор и моторный модуль обычно располагаются на полноповоротной платформе. Это позволяет укоротить базу машины и
обеспечить хороший обзор рабочей зоны.
Современные производители харвестеров широко используют принцип
модульного построения техники. Благодаря этому они получают возможность
349
создавать параметрические ряды лесотехнологического оборудования и машин
по геометрическим и массово-мощностным параметрам различных функциональных возможностей.
Рис. 9.16 Компоновочное решение харвестера с передним моторным модулем
Таким образом, можно выделить харвестеры малого, среднего, базового и
тяжелого классов. Согласно классификации, предложенной финским профессором Йори Уситало, ниже излагаются особенности этих классов.
Рис. 9.17. Компоновочное решение харвестера с задним моторным модулем
Харвестеры малого размерного класса предназначены для работы на рубках ухода. Как правило, колесные харвестеры имеют всего четыре приводных
колеса и короткую базу, например Timberjack 770D, Sampo-Rosenlew 1046X.
Собственный вес машин составляет 7…12 тонн, при мощности двигателя порядка 80 кВт. Грузовой момент манипуляторов для таких машин находится в
350
пределах 50…120 кНм. Усилие протаскивания при обрезке сучьев обычно не
превышает 15 кН, а масса харвестерной головки равняется 400…750 кг. В качестве примера гусеничного харвестера можно привести машину Lokomo-Makeri
34Т, выпускавшуюся в 1980-е годы. Этот харвестер имел достаточно уникальную безманипуляторную компоновку и требовал подъезда к каждому обрабатываемому дереву.
Харвестеры среднего класса также предназначены в основном для рубок промежуточного пользования. Вес машин составляет 13…14 тонн, при
мощности двигателя 120 кВт. Грузовой момент манипуляторов равен в
среднем 135 кНм. Усилие протаскивания при обрезке сучьев несколько
выше, чем для предыдущей группы машин и равно 20 кН. Масса харвестерной головки 800 кг.
Харвестеры базового класса получили наиболее широкое распространение и являются самыми универсальными в плане применения на разных
видах рубок. Они имеют шесть или восемь приводных колес. Примером могут служить харвестеры Timberjack 1070D, Gremo 950 HPV. Вес этих машин составляет порядка 17 т. Мощность двигателей 140…160 кВт. Грузовой
момент манипуляторов равен в среднем 180 кНм. Усилие протаскивания
при обрезке сучьев равно 22…27 кН. Масса харвестерной головки 1000 кг.
Харвестеры тяжелого размерного класса подходят для рубок главного
пользования. В основном это гусеничные харвестеры специального назначения и на базе экскаваторов, например Timberjack 608L, Kobelco SK 135
SRL. Вес машин 18…20 тонн. Мощность двигателей 160…180 кВт. Грузовой момент манипуляторов равен 180 кН·м и более. Усилие протаскивания
при обрезке сучьев равно 24…28 кН. Масса харвестерных головок 1200 кг и
более.
Обычно харвестерная головка состоит из металлического каркаса и соединенного с ним механизма наклона (наклон из вертикального положения для
срезания дерева в горизонтальное ‚положение для обрезки сучьев и раскряжевки). Посредством механизма наклона через поворотный ротатор каркас головки
соединяется с манипулятором.
На каркасе смонтированы захватные рычаги, на концах которых размещаются протаскивающие элементы сучкорезного устройства (обычно протаскивающие вальцы или гусеницы). На существующих конструкциях захватные
351
рычаги двигаются либо в плоскости, перпендикулярной оси дерева, либо в
плоскости, параллельной оси дерева.
В верхней части каркаса, а в ряде конструкций дополнительно снизу располагаются сучкорезные ножи. Чаще всего на верхнем уровне имеется три ножа
(два боковых подвижных и один стационарный опорный), а на нижнем - только
один или два боковых подвижных. Ножи могут иметь индивидуальный привод
или быть кинематически связанными с захватами протаскивающего механизма.
Последняя схема упрощает и удешевляет конструкцию, так как отпадает потребность в использовании отдельных гидроцилиндров привода ножей. Режущие кромки ножей могут быть наплавленные или сменные.
В самой нижней части каркаса смонтирован пильный механизм с блоком
автоматики пилы и отдельных датчиков. В центре каркаса, между рычагами устанавливаются опорный вращающийся ролик и измерительное колесо датчика
отмера длин.
Выпускаемые в северных странах модели головок обычно делят на 2-3
класса по размеру и массе: легкие (300…600 кг) преимущественно для рубок
прореживания (обрабатываемый диаметр ствола 5…40 см), средние (700…1000
кг) общего назначения (обрабатываемый диаметр ствола 5…50 см) и тяжелые
(1000…1200 кг) для рубок главного пользования (обрабатываемый диаметр
ствола 10…60 см). На рынке есть модели массой до 3500 кг, способные обрабатывать стволы толщиной более метра. Конструкция этих харвестерных головок
такая же, как и у харвестеров, продаваемых в Северных странах.
Общий вид типичной харвестерной головки приведён на рис. 9.18. Принцип действия харвестерной головки следующий: гидравлические цилиндры
раздвигают захваты с протаскивающими вальцами и сучкорезные ножи. Устройство подводят к комлю дерева и закрывают, гидроцилиндры прижимают
вальцы и сучкорезные лезвия к стволу. Дерево спиливается цепной пилой и валится с помощью наклонного (валочного) механизма головки. Протаскивающие
вальцы (обычно от 2, реже до 4 штук) начинают вращаться и протаскивать
ствол, при этом срезаются ветки, попадающие под сучкорезные ножи. Раскряжевкой на сортименты и измерением длины протаскиваемого ствола управляет
отдельная автоматика.
Харвестерная головка может быть оснащена дополнительными устройствами. Одно из них - устройство для обработки пней в бесснежный период с це-
352
лью предотвращения распространения дереворазрушающих грибов.
Специальное вещество – фунгицид наносят при пропиливании через форсунки, расположенные на специальной шине пилы, или отдельной форсункой,
установленной на кожухе пилы или на кулачке шины. К форсункам препарат
подается по шлангу из бачка на каркасе харвестера. Подача фунгицида производится автоматически.
Рис. 9.18. Харвестерная головка
1-корпус, 2 - поворотный ротатор, З - верхние сучкорезные ножи, 4 нижние сучкорезные ножи, 5 - протаскивающие вальцы с гидродвигателями, 6 - пильный механизм, , 7 - ограждение пилы и гидромотора ее привода, 8 измеритель длины сортиментов, 9 - захваты вальцов, 10 - скоба наклонного
механизма
Харвестерная головка может быть оборудована также маркирующим устройством, которое впоследствии облегчает сортировку схожих сортиментов.
Нанесение краски производят через форсунки, установленные на корпусе головки или в пильном блоке. Обычно применяют две форсунки и два цвета, которые дают три комбинации (синий, красный, синий + красный). Краска нано-
353
сится на торец бревна в тот момент, когда закончен пропил, и оно начинает падать. Процесс маркировки контролируется автоматикой харвестера.
Управление харвестерной головкой (как и манипулятором) электрогидравлическое с помощью двух рычагов, размещенных на подлокотник сидения
оператора.
В случае применения протаскивающего механизма непрерывного действия, как было описано выше, дерево обжимается вальцами или гусеницами и
непрерывно по всей длине протаскивается относительно сомкнутых сучкорезных ножей. Конструктивное исполнение вальцов может быть различно. Наиболее часто применяются стальные вальцы с ошиповкой или оребрением.
Харвестеры, как и процессоры, по принципу работы подающего (протаскивающего) механизма сучкорезного устройства могут быть циклического и
непрерывного действия (рис. 9.19).
Очевидно, что для протаскивающих устройств непрерывного действия
ствол может быть поврежден шипами по всей его длине, особенно при обрезке
толстых сучьев, что является определенным недостатком. С целью меньшего
повреждения древесины возможно использование обрезиненных вальцов, в том
числе с одетыми на них металлическими цепями.
Отечественные конструкции валочно-трелёвочных машин, лесопогрузчиков, форвардеров и харвестеров описаны в рекомендуемой литературе.
Рис. 9.19. Типы протаскивающих механизмов: циклического (а)
и непрерывного действия (б, в)
354
Раздел десятый
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРУЕМОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
Техническое задание на проектируемое оборудование составляется в соответствии со стандартом: ГОСТ Р15.201-200 «Порядок разработки и постановки
продукции на производство. Основные положения». В качестве примера приводится техническое задание на манипулятор гидравлический МГЛ-70.
10.1. Наименование и область применения
Манипулятор стреловой гидравлический лесной с грузовым моментом 70
кНм МГЛ-70 (далее "Манипулятор") используется в качестве съёмного технологического оборудования: для лесовозных автомобилей типа МАЗ, УРАЛ, КамАЗ с прицепом-роспуском типа ГКБ 9383; для установки на трелевочные
тракторы класса тяги 30...50 кН (3...5 тс); на сучкорезные, рубильные, многооперационные машины и погрузчики - штабелеры на базе тракторов класса тяги
30...50 кН. (далее по тексту "Энергетическое средство").
Манипулятор предназначен для погрузки и разгрузки хлыстов при рубках
ухода: прореживании, проходных и рубках главного пользования, а также при
трелевке, загрузке сучкорезных, рубильных и многооперационных машин.
10.2. Основание для разработки
Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства часть IV "Лесное хозяйство и защитное лесоразведение", Шифр Л62.11.
Договор заказчика с Великолукским заводом "Лесхозмаш" - "Создание
гидроманипулятора для автомашин, используемых в лесном хозяйстве на вывозке леса".
10.3. Цель и назначение разработки
Манипулятор с энергетическим средством предназначен для погрузки,
355
транспортировки и разгрузки
хлыстов, полухлыстов, короткомерных
и
длинномерных сортиментов, пней осмола и сучьев, а также различных хозяйственных грузов.
Цель разработки – создание исключающего ручной труд стрелового гидравлического манипулятора на транспортном энергетическом средстве, которое
заменит неэффективные погрузчики (например, ЛТ-25) с тросо-чокерным оборудованием, а также дорогостоящие импортные гидравлические краны на базе
лесовозных автомашин.
Перспективность манипулятора заключается в том, что за счёт установки
его на подвижное транспортное средство исключается необходимость наличия в
технологическом комплексе машин для рубок ухода за лесом специальных погрузочных и разгрузочных средств, т.к. в этом случае машина будет самопогружающейся, что обусловливает повышение производительности труда на перевозке лесоматериалов.
10.4. Источники разработки
Лесотехнические требования на манипулятор стреловой гидравлический
лесной с грузовым моментом 70 кНм.
Опыт эксплуатации импортных кранов гидравлических F 65S финской
фирмы "Фискарс", которыми оборудованы лесовозные автомашины типа МАЗ,
КаМАЗ и др.
10.5. Технические требования
Состав манипулятора и требования к конструктивному устройству
Манипулятор должен быть разработан для установки: на лесовозных автомобилях типа МАЗ, УРАЛ, КамАЗ с прицепом-роспуском типа ГКБ 9383; на
трелевочные тракторы класса тяги 30...50 кН; на сучкорезные, рубильные, многооперационные; машины и погрузчики-штабелеры на базе тракторов класса
тяги 30...50 кН.
Колонка манипулятора, предназначенная для монтажа стрелы, сиденья
оператора и пульта управления, должна быть поворотной на угол не менее 215°.
Колонка должна быть подвижно закреплена на оси, жестко соединенной с ос-
356
нованием манипулятора. Поворот колонны должен осуществляться от двух
противоположно направленных гидроцилиндров посредством зубчатой рейки и
зубчатого венца, закрепленного на колонне. Вращающий момент колонне должен быть не менее 13 кНм.
Стрела, предназначенная для монтажа рукояти, должна быть сварной
конструкции коробчатого сечения и иметь места крепления к колонне, рукояти
и гидроцилиндрам. Для подъёма и укладки хлыстов стрела должна иметь специальный упор.
Рукоять, предназначенная для монтажа грейфера, должна быть сварной
конструкции коробчатого сечения и иметь места крепления: к стреле, грейфера
и гидроцилиндра.
Грейфер, предназначенный для захвата и удержания погружаемых и разгружаемых манипулятором предметов, должен быть полноповоротным (на
360) относительно вертикальной оси. Крепление грейфера к рукояти должно
быть шарнирное. Вращающий момент на грейфере должен быть менее 1,5 кНм.
Гидравлическая система, предназначенная для обеспечения передачи
энергии от энергетического средства к рабочим органам манипулятора, должна
состоять из установки насоса; бака для рабочей жидкости; гидроарматуры; гидроцилиндров привода: стрелы, рукояти, грейфера, поворота колонны; гидромотора поворота грейфера, распределителей. Технические требования - по ГОСТ17411-72 и ГОСТ 16770-71.
Гидравлическая система управления должна обеспечивать выполнение
манипулятором следующих технологических операций:
1) подвод захвата к лежащему в штабеле хлысту;
2) ориентирование захвата и зажим дерева;
3) перенос дерева на подвижной состав и укладку его на коники;
4) подтягивание дерева и нажим стрелою на комель при переводе его через коник;
5) установку захвата и рукояти в транспортное положение.
Рабочее давление в гидросистеме манипулятора должно быть 9,8 МПа +
0,98 МПа (100 кгс/см2 ± 10 кгс/см2), в пневмосистеме управления насосом 0,588
МПа …0,098 МПа (6 кгс/см2…1,0 кгс/см2).
Эксплуатационная масса манипулятора не должна превышать 1950 кг, а
конструктивная (сухая) - 1750 кг. Удельная материалоёмкость – 21+5 кг/кНм.
357
Габариты энергетического средства (автомашины) с манипулятором в
транспортном положении должны быть в пределах:
длина - 19000 ± 1000;
ширина - 2500 ± 100;
высота - 3700 ± 100.
Требования к средствам защиты
Манипулятор должен быть окрашен в соответствии с требованиями
ГОСТ 5282-75, группа машин X, система покрытии - 4, эмалями ПФ-115 по
ГОСТ 3455-76. Поверхности, не подвергающиеся окраске, должны быть покрыты смазкой типа пресс-солидола "С" ГОСТ 4366-76.
Манипулятор:
– грузовой момент (без грейфера), кНм, не менее
70
– вылет стрелы, м, не менее
шарнирно - неподвижной
5,0
телескопической, комбинированной
7,0
– угол поворота колонны, рад (град), не менее
3,7(210) - 6,6 (380)
– крайнее положение шарнира крепления захвата к рукояти
относительно поверхности почвы, м, не менее:
верхнее
8,1
нижнее
0,5
Грейфер:
– тип - двухчелюстный
– полезная площадь, м2, не менее
0,35
Опоры:
– тип – откидные, гидравлические
– ход поршня в гидроцилиндрах, мм, не менее
500.
Требования к надежности
Средний ресурс должен быть не менее 7000 ч. Средний срок службы
должен быть не менее 6 лет. Коэффициент готовности должен быть не менее
0,95. Коэффициент технического использования должен быть не менее 0,81.
358
Наработка на отказ должна быть не менее 50 ч. Среднее время восстановления
не должно превышать 2 ч. Удельная суммарная оперативная трудоемкость технического обслуживания, чел./ч - 2 при наработке за сезон 1298 ч. Удельная
суммарная оперативная трудоемкость текущих ремонтов, чел/ч - 40 при наработке между текущими ремонтами 5192 ч.
Требования к технологичности и метрологическому обеспечению
разработки, производства и эксплуатации
Конструкции манипулятора должна быть технологичной:
1) иметь наименьшую трудоемкость изготовления;
2) быть комплектной, обеспечивать удобство сборки, регулировки и технического обслуживания при минимальном числе сборочных единиц и деталей;
3) обеспечивать удобство проведения ремонтов.
Требования к уровню унификации и стандартизации
При разработке манипулятора максимально унифицируются сборочные
единицы и элементы гидросистемы с машиной для бесчокерной трелевки леса
МБТ-8 и краном–штабелером КЛ-4, выпускаемых предприятиями страны.
Коэффициент применяемости по типоразмерам – не менее 28 %.
Коэффициент применяемости по составным частям манипулятора – не
менее 30 %.
Коэффициент повторяемости – не менее 65%.
Требования безопасности и влияния на окружающую среду
Конструкция манипулятора должна удовлетворять требования ГОСТов в
части требований к подобным машинам.
Эстетические и эргономические требования
Конструкция манипулятора должна удовлетворять требованиям технической эстетики и эргономики.
359
Требования к патентной чистоте
Манипулятор должен обладать патентной чистотой в отношении РФ и зарубежных стран: Канады, Швеции, Финляндии, США.
Требования к составным частям продукции, сырью, исходным и эксплуатационным материалам
При изготовлении деталей манипулятора должны применяться:
- сталь толстолистовая горячекатанная по ГОСТ 19903-74
- марки сталь 35 ГОСТ 1577–70;
- трубы стальные бесшовные по ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 8734-75, профильный прокат по ГОСТ 8240-72 и ГОСТ 8509-72.
Сырье, покупные изделия, исходные и эксплуатационные материалы
должны соответствовать действующим стандартам и техническим условиям.
В качестве рабочей жидкости гидравлической системы манипулятора
должно применяться индустриальное масло И-20А или Л-12А ГОСТ 20799-75.
Лакокрасочные материалы должны соответствовать требованиям ГОСТ
9825-73.
Условия эксплуатации, требования к эксплуатации и ремонту
Манипулятор при установке на транспортное энергетическое средство
эксплуатируется в лесосеке на трелевочных волоках и технологических коридорах, по профилированным дорогам с гравийным и усовершенствованным покрытием, а также по дорогам внутрихозяйственного пользования.
Манипулятор должен обеспечивать надежный захват и удержание при
перемещении лесоматериалов, при погрузо-разгрузочных работах.
Манипулятор должен обеспечивать захват лесоматериалов, расположенных в рабочей зоне, при любой их ориентации по отношению к продольной
оси транспортного энергетического средства.
Манипулятор должен обеспечивать захват, качественную укладку лесоматериалов при погрузке и разгрузке.
Допустимый угол уклона при работе не должен превышать в продольном
360
направлении 6. Коэффициент поперечной устойчивости должен быть не менее
К = 1,15 - 1,5.
Дополнительные требования
Для контроля и peгулировки давления в гидросистеме манипулятора должен
быть предусмотрен манометр или места его присоединения при разовых замерах.
Требования к маркировке и упаковке
Манипулятор должен иметь маркировку, содержащую:
– наименование и товарный знак завода-изготовителя;
– марку манипулятора;
– порядковый номер манипулятора;
– год и месяц изготовления;
– обозначение ТУ.
Требования к транспортированию и хранению
Транспортирование манипулятора может осуществляться как в комплекте
с транспортным энергетическим средством на колесном ходу, так и отдельно в
упакованном виде автомобильным и железнодорожным транспортом без ограничения расстояния и скорости с соблюдением правил перевозки грузов, установленных для данного вида транспорта в соответствующих Министерствах
(ведомствах).
При транспортировании автомобильным транспортом высота машины с
прицепом должна быть не более 4,5 м.
Требования к категории качества
Манипулятор должен соответствовать первой: категории качества с начала
серийного производства, аттестация изделия должна быть произведена согласно
"Инструкции о порядке аттестации промышленной продукции предприятия РФ"
361
10.6. Экономические показатели
Ожидаемый годовой экономический эффект от применения одного манипулятора. Лимитная цена манипулятора. Снижение прямых эксплуатационных
затрат. Срок окупаемости. Потребность манипуляторов на 5 лет с начала промышленного производства.
10.7. Стадии и этапы разработки
При разработке манипулятора выполняются следующие стадии разработки:
1) техническое задание;
2) разработка рабочей документации:
– опытного образца (опытной партии),
– установочной серии,
– установившегося серийного производства.
Перечень конструкторской документации, разрабатываемой на стадии
проектирования, указан в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Наименование конструкторских документов
Шифр документа
1
1. Спецификация
2. Сборочный чертеж
3. Чертежи деталей
4. Схемы
5. Ведомость спецификаций
6. Ведомость покупных изделий
7. Ведомость согласования
применения покупных изделий
8. Технические условия с
информационной картой,
согласно РДИ 79–76
9. Патентный формуляр
10. Паспорт (инструкция по
эксплуатации и техническое
описание)
2
–
СБ
–
ГЗ, КЗ
ВС
ВП
Опытного
образца
3
+
+
+
+
+
+
Разработка рабочей документации
Установочной сеУстановившегося серийрии
ного пр-ва
4
5
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ВИ
ТУ
ПФ
ПС
362
1
11. Карта технического
уровня и качества продукции
12. Расчет поперечной и
продольной устойчивости к
протоколу согласования
агрегатирования
2
КУ
3
+
4
+
5
+
+
+
+
РР
10.8. Порядок контроля и приёмки
Документация, указанная в табл. 10.1 (пункты 5, 6, 7) на всех стадиях разработки утверждается Великолукским заводом "Лесхозмаш". Для проведения
предварительных испытаний должен быть представлен один опытный образец.
Для проведения государственных испытаний должен быть представлен один
опытный образец.
Приложение: 1. Лесотехнические требования на манипулятор стреловой
гидравлический лесной с грузовым моментом 70 кНм.
2. Технико–экономическое обоснование и расчет экономической эффективности погрузчика гидравлического.
3. Рисунок общего вида манипулятора.
4. Карта технического уровня и качества.
363
Раздел одиннадцатый
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОМАНИПУЛЯТОРОВ
На машинах для рубок ухода применяются шарнирно-сочлененные, телескопические и комбинированные гидроманипуляторы, которые устанавливаются на базовых тракторах и автолесовозах (рис. 11.1)
Рис. 11.1. Типы гидроманипуляторов
11.1. Определение геометрических параметров манипулятора
Для определения геометрических размеров рукояти, стрелы, поворотной
колонны манипулятора разрабатывается в выбранном масштабе компоновочнокинематическая схема (ККС), позволяющая обеспечить вариант выполнения
заданного технологического процесса с лучшими параметрами. При разработке
ККС прочерчиваются на листе ватмана (для дневной формы обучения) или на
миллиметровке (на практических занятиях) положения манипулятора для трех
случаев:
а) максимальный вылет – Lmax , при котором рабочий орган (грейферный
захват или захватно-срезающее устройство) должен находиться ниже уровня
поверхности земли на расстоянии h для обеспечения работоспособности с учетом микронеровностей местности. Трактор при этом располагается в продольной плоскости (рис. 11.2);
б) минимальный вылет – Lmin , при котором рабочий орган располагается
рядом с движителем машины, также ниже уровня поверхности земли на расстоянии h ;
364
в) конечный вылет Lк , при котором происходит укладка груза в заданное место, при этом рабочий орган должен находиться выше коника (штабеля, кузова и т.д.) для обеспечения укладки последнего дерева или бревна
(рис. 11.2).
Рис. 11.2. Компоновочно-кинематическая схема гидроманипулятора
На проекциях ККС на виде сбоку и виде сзади наносятся вертикальные
линии продольной оси поворотной колонки, на которых откладывается на расстоянии H от опорной поверхности точка D. Положения точки 0 на максимальном и минимальном вылете при выполнении контрольной работы находятся с
учетом высоты захвата, а при выполнении курсового проекта - путем расчета
основных параметров грейферного захвата или захватно-срезающего устройства. Для построения точки 0 над коником, кузовом, штабелем и т.д. необходимо
определить высоту пачки hп .
Для этого определяется количество деревьев иди бревен в пачке
Q
m п.
(11.1)
V
Это количество деревьев или бревен размещается в выбранном масштабе
в круглую или прямоугольную форму коника, кузова и т.д. и определяется таким образом размер hгп (рис. 11.2). Высота hп точки 01 манипулятора в положении захвата над коником определяется из выражения
hп  hк  hгп  hз .
(11.2)
Размеры рукояти и стрелы могут быть получены с учетом заданного соотношения  по формулам
365
2
1,05 2 L2max  hгп
lр 
;
4
lс  l р .
(11.3)
(11.4)
Положения шарнира А соединения рукояти и стрелы получаются для всех
положений манипулятора путем засечек радиусами l р из точки 0 и lс из точки
D . Углы  и  изменяются в пределах  = 80º…160º,  = 25º…130º.
11.2. Построение зоны действия манипулятора
Строится зона действия манипулятора. С крайнего верхнего (рисунок 11.3) положения стрелы и рукояти описывается внешний участок дуги зоны
действий ( 010 ). Участок « 003 » описывается рукоятью при крайнем положении
стрелы. Для этого рукоять переводится до вылета Lmin . Внутренний участок
« 030 2 » описывается при переводе стрелы из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение при крайнем нижнем положении рукояти. Участок « 0 2 01 » получается при повороте рукояти из нижнего положения в верхнее при верхнем положении стрелы. Зона действия увеличивается у гидроманипуляторов при наличии телескопического удлинителя рукояти. Рациональной зоной действия
манипулятора в вертикальной и горизонтальной плоскостях является такая, при
которой обеспечивается выполнение технологического процесса при наименьших перемещениях его элементов или при максимальной ее площади.
Рис. 11.3. Зона действия манипулятора
366
11.3. Расчёт усилий в гидроцилиндрах и выбор параметров
На гидроманипулятор с рабочим органом действуют следующие силы
(рис. 11.4):
Gбр , Gгр – сила тяжести бревен и грейфера (1…1,4 кН); захватносрезающего устройства (6…8 кН); Gбр  Gгр  Q ;
G р – сила тяжести рукояти, предварительно принимается равным
1,2…1,4 кН;
Gc – сила тяжести стрелы (2,5…3,0 кН);
Pи Pип – силы инерции отдельных элементов гидроманипулятора и грейфера с грузом, возникающие при подъеме и повороте:
Q Vпод
Q Vпод Q 2Rn
Pи 
; Pип 

,
g t раз
g t раз g t раз
где
(11.5)
Vпод – скорость подъема, задана в исходных данных;
t раз – время разгона, равное 1,5...2 сек;
Pц – центробежные силы, которые учитываются при скорости поворота
гидроманипулятора Vпов  2Lmax n при n = 0,02 об/с.
Усилия в гидроцилиндрах рукояти и стрелы находятся из уравнений моментов сил, относительно шарниров C и B при самых неблагоприятных случаях
их нагружения (подъем груза при максимальном вылете с одновременным поворотом)
P2 
P3 
Q  Pи lQ'  Pц hQ  G ро  Pиро l 'ро  G р  Pир l р
Q  Pи lQ''  Pц hN
h2





,
(11.6)

'
 G ро  Pиро l 'ро
 G р  Pир l 'р  Gc  Pир lс
h3
. (11.7)
Положения гидроцилиндров сначала выбираются, исходя из конструктивных соображений их размещения. При составлении уравнения моментов относительно шарнира C шарнир B считается жестким и сила P2 не учитывается.
367
Рис.11.4. Определение усилий в гидроцилиндрах манипулятора
Для определения усилий в гидроцилиндре поворота гидроманипулятора
предварительно рассчитывается момент сопротивления повороту
M пов  M ст  M ип ,
(11.8)
Mст – статический момент сопротивления повороту;
d
d
d
M ст  R г f  REг f  REB f ,
(11.9)
2
2
3
где d – диаметр неподвижной колонки, принимается ориентировочно равным 70...120 мм;
f – коэффициент трения скольжения стали по бронзе;
Mип – момент сопротивления повороту гидроманипулятора от сил инерции
где
D
'
M ип  PипQ l гр
 Pипр l 'р  Pипс lс' .
Усилие в гидроцилиндре поворота гидроманипулятора
M
Pп  пов
,
hп'
где
(11.10)
(11.11)
hп' – плечо действия гидроцилиндра поворота, равное 200…300 мм.
Диаметры гидроцилиндров двухстороннего действия определяются по
следующей формуле
Dц 
где
4 Pрас

p 1   2
Pрас – расчетное усилие на штоке
,
(11.12)
368
Pрас  kPц .
(11.13)
где k – коэффициент запаса, учитывающий инерционные нагрузки исполнительных органов, а также стопорные режимы ( k  1,4...1,65 );
p – перепад давления рабочей жидкости в гидросистеме, который у существующих конструкций лесопогрузчиков равен 10,0 МПа, у перспективных –
16,0 МПа;
 – отношение диаметра штока гидроцилиндра к диаметру поршня принимается конструктивно равным 0,2...0,7 ;
Pц – усилие на штоке гидроцилиндра в кН.
Для грейфера Pц  Sобщ ; для гидроцилиндра рукояти – P1 ; для гидроцилиндра стрелы – P2 ; для гидроцилиндров поворота – Pп .
По диаметру гидроцилиндра Dц выбирается стандартный гидроцилиндр
из справочной литературы.
Ход штока hшт определяется ранее при кинематическом анализе гидроманипулятора.
При использовании гидромоторов для механизма поворота гидроманипулятора определяется их рабочий объем
M 2
(11.14)
q м  пов .
p
Выбор гидромотора производится из справочной литературы аксиальнопоршневого или шестеренного типа.
Определяется расход рабочей жидкости на привод в действие отдельных
гидродвигателей:
а) расход рабочей жидкости гидроцилиндрами манипулятора находят по
формуле
Qц 
где
Dц2Vшт
4 оц
,
(11.15)
 оц – объемный КПД гидроцилиндра, равный 0,98…1,0;
Vшт – скорость перемещения штока гидроцилиндра
Vшт
i
hшт
Vпод

,
H max
(11.16)
369
где
i
hшт
– ход штока отдельного гидроцилиндра (определяется из кинемати-
ческого анализа гидроманипулятора);
Vпод – скорость подъема груза;
H max – максимальный подъем манипулятора, определяется при кинематическом анализе.
Расход рабочей жидкости на привод гидроцилиндров поворота гидроманипулятора рассчитывается также по формуле (7.13), но скорость перемещения
штока находится из выражения
  п hшт

Vшт 

; t пов  ,
(11.17)
hп


 – скорость поворота гидроманипулятора;
 п – угол поворота гидроманипулятора, определяемый конструкцией лесопогрузчика из условия выполнения технологического процесса;
б) при наличии в гидросистеме гидромотора его расход определяется по
формуле
q 
Qм  м ,
(11.18)
2 ом
где
 ом – объемный КПД гидромотора 0,95…0,97.
Параметры гидроцилиндров вспомогательных механизмов можно принимать согласно существующим конструкциям лесопогрузчиков.
Гидроцилиндр удлинителя:
Dц  50...70 мм, d шт  25...30 мм, hшт  300...500 мм.
Гидроцилиндры аутригеров:
Dц  120...160 мм, hшт  400...550 мм.
Определяется суммарный расход рабочей жидкости на все потребители
(гидродвигатели)
Qобщ   Qц   Qм .
(11.19)
Производительность и мощность насосной станции лесопогрузчика
Q
Qн.с.  об ; N н.с.  Qн.с.p ,
(11.20)
он
где
 он – объемный КПД насоса. Для шестеренных насосов  он  0,9...0,92 .
Рабочий объем насоса:
370
qн 
Qн.с.
,
nн
(11.21)
где nн – номинальная частота вращения насосов, приведена в таблице 11.
Выбор насосов производится в зависимости от рабочего объема, частоты
вращения и производительности. При недостаточной производительности одного насоса выбирается для насосной станции 2-3 насоса. Можно для привода
гидроманипулятора использовать насосы основных гидросистем базовых тракторов, характеристика их приведена в справочной литературе.
Производится расчет диаметров трубопроводов для отдельных участков
гидравлической системы
d тр 
где
4Qi
,
Vж
(11.22)
Qi – расход рабочей жидкости отдельных потребителей;
Vж – скорость движения рабочей жидкости в трубопроводах, которая за-
висит от назначения магистрали:
всасывающая Vж  0,5...1,5 м/с;
сливная Vж  2 м / с;
нагнетательная Vж  3...5 м / с; .
Для неподвижных соединений выбираются стальные трубы по табл.
Г0СТ 16039-70, для подвижных – резиновые шланги по табл. ГОСТ 6286-73.
Гидрораспределители выбираются по числу потребителей и суммарному расходу рабочей жидкости. Если одного распределителя недостаточно, выбирают
2…3 распределителя для параллельной работы.
Объем масляного бака для гидросистем лесопогрузчиков принимают, исходя из формулы
Vб  K б Qн.с. ,
(11.23)
где K б – коэффициент, характеризующий условия теплообмена гидропривода.
Для тяжелых условий работы лесопогрузчиков этот коэффициент принимают равным 1,5…1,6.
11.4. Расчёт на прочность элементов манипулятора
При расчете на прочность гидроманипулятор условно расчленяют на от-
371
дельные элементы, а для их равновесия в местах шарнирных сочленений накладывают соответствующие реакции связей. В качестве общего случая нагружения рассмотрим подъем с одновременным поворотом гидроманипулятора валочно-трелевочной машины.
В этом случае расчетная схема манипулятора будет иметь следующий вид
(рис. 11.5).
В сочленениях рабочего органа с рукоятью (шарнир О) рукояти со стрелой (шарнир А), стрелы с поворотной колонкой (шарнир D) в продольной плоскости ZOX следует приложить по две реакции связей, как в цилиндрическом
шарнире, т.е.  ROX ; ROZ ; R AX ; R AZ ; RDX ; RDZ  горизонтальной и поперечной
плоскостях УОХ и ZOУ следует приложить реактивный момент и три реакции
связей, как в заделке.
Решая последовательно уравнения равновесия для рабочего органа и подтаскиваемого дерева, определяем реакции связей в шарнире О, для рукояти – в
шарнире А, для стрелы – в шарнире D, для поворотной колонки – для цилиндрического шарнира Е и подпятника С.
Определив реакции связей, производят расчет изгибающих и крутящих
моментов в различных плоскостях, строят эпюры и определяют опасные сечения элементов манипулятора. На рис. 11.6 представлены эпюры изгибающих и
крутящих моментов в плоскостях ZOX и УОХ для стрелы. Кроме того, на
стрелу действуют сжимающие и растягивающие силы N. Поэтому суммарные
нормальные напряжения, например для круглого поперечного сечения, определяется по формуле
N M сум
н  
,
(11.24)
F Wиз
где
F – площадь поперечного сечения, м;
Wиз – момент сопротивления поперечного сечения м;
М сут – суммарный изгибающий момент, Нм.
Касательные напряжения
 кр 
М кр
Wкр
.
(11.25)
Приведенные напряжения
2
 III   н2max   4 кр
,
(11.26)
372
т
,
(11.27)
n
– предел текучести, например для стали 15 ХСНД имеем
 III    
где  т
 т  300 МПа ;
n – коэффициент запаса прочности 1,5…2,5.
При разработке конструкций рукояти, стрелы, поворотной колонки следует определить размеры шарнирных соединений (палец, втулка, опоры). Эти
соединения рассчитываются из условия смятия по формуле
где Rсум
Rсум
 P  ,
bd
– суммарная радиальная нагрузка, Н;
P
2
2
Rсум  ROZ
 ROX
,
(11.28)
(11.29)
где b – общая ширина двух опорных поверхностей отверстия в корпусе или
втулке, м;
d – диаметр пальца, определяемый из условия на срез, м;
P – допускаемое удельное давление, МПа.
Рис.11.5. Расчетная схема манипулятора на прочность
373
Для шлифованных закаленных стальных поверхностей принимается
P   55...60 МПа , для сталей Ст 3–5 – P   16...17 МПа , для низколегированных
15 ХСНД, 10 ХСНД, 10 Г2С
P   20 МПа .
P   21...25 МПа ,
для бронзы БрАЖ-9
Обычно палец устанавливается неподвижно в отверстиях про-
ушин стрелы и рукояти, а в подвижный элемент шарнира впрессовывается одна
или две втулки.
374
Раздел двенадцатый
ОПТИМИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЙ СТАНДАРТНЫХ
ГИДРОЦИЛИНДРОВ МАНИПУЛЯТОРА
12.1. Оптимизация положений стандартных гидроцилиндров
манипулятора при статическом и динамическом режимах нагружения
Надежность, прочность и устойчивость к динамическим перегрузкам конструкции проектируемого манипулятора во многом зависит от достоверного
знания нагрузок, точек их приложения и правильно составленной кинематической схемы. Типичная схема манипулятора приведена на рис. 12.1.
Рис. 12.1. Кинематическая схема механизма подъема стрелы
Для определения мгновенного значения скорости движения поршня рассмотрим треугольник ОАВ при элементарном перемещении штока гидроцилиндра dS1 (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Схема определения скорости движения штока
375
Мгновенная скорость движения штока
dS
V1  1 .
(12.1)
dt
При малых значениях приращения угла подъема можно принять
AA'  b1d1.
Заменяя криволинейный треугольник АА'А" на прямоугольный с точностью до малых второго порядка, находим dS1  A' A"  AA' sin  1  b1 sin  1  d1c ,
тогда
d
dS1
 b1 sin  1
.
(12.2)
dt
dt
Объем жидкости, расходуемый в единицу времени на перемещение
поршня
V1 
где
d пс2
d
Q1 
b1 sin  1 1c ,
4
dt
dnc - диаметр поршня гидроцилиндра подъема стрелы, м;
1c - текущее значение угла подъема стрелы, град.
(12.3)
Количество жидкости, расходуемой в единицу времени на утечки, равно
Q2  a y Pпс ,
(12.4)
ау - коэффициент утечек, м3/сПа;
РПС - давление рабочей жидкости в поршневой полости гидроцилиндра
стрелы, Па.
Приращение подачи рабочей жидкости в единицу времени вследствие ее
сжимаемости и деформации элементов гидропривода определяется по известной формуле
dP
Q3  K p пс ,
(12.5)
dt
где Кр - коэффициент податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода, м5/Па.
Пренебрегая потерями на трение, определяется система дифференциальных уравнений движения стреловой группы манипулятора и расхода рабочей
жидкости в виде c учетом воздействия сил инерции
где
376
d пс2
d
dP
QH K t 
b1 sin 1 1c  a y Pпс  K p пс .
4
dt
dt
(12.6)
2
2
d пс
2 d 1c
( J c  ml )

Pпс b1 sin 1  g (ml  mc l ЦМс ) cos(1c   ),
dt 2
4
где QН - номинальная производительность насоса, м3/с;
t - время, с;
Jc - момент инерции стреловой группы относительно шарнира 0, кг-м2;
т - масса груза, кг;
l - вылет манипулятора, м;
g - ускорение сил тяжести, м/с2;
b1 - плечо приложения усилия гидроцилиндра, м;
тс - масса стреловой группы, кг;
lцмс - расстояния от шарнира 0 до центра масс стреловой группы, м;
1 - текущее значение угла между осями звеньев ОА и АВ (рис. 12.2),
град;
Кt = t/tH при t < tH; Кt = 1 при t >= tH;
tH - время нарастания расхода рабочей жидкости от 0 до номинального
значения QH .
Далее из треугольника ОАВ определяется:
a1
AB

;
sin 1 sin( 1  1c )
AB  a12  b12  2a1b1 cos( 1  1c ) ;
sin 1 
a1 sin( 1  1c )
a12
 b12
(12.7)
,
 2 a1b1 cos( 1  1c )
где a1 , b1 ,  1 ,  - параметры механизма подъема стрелы (рис. 12.1).
Систему дифференциальных уравнений решается модифицированным
методом Эйлера с предварительным понижением порядка. В результате получаются формулы для определения значения давления и угла подъема при последовательных итерациях с учетом минимального промежутка времени между
двумя итерациями h  t :
377

 d2
P
Q  Kt 
 b1  sin b1  1c  a y  P  K p  ;
4
t
t
2
Q  h  Kt   d
   i 1
P

 b1  sin b1  i
 a y  h  i1  Pi  Pi 1 ;
Kp
4
Kp
Kp
(12.8)

1 
 d2
 Q  h  K t 
Pi 
 b1  sin b1  ( i   i1 )  a y  h  Pi1   Pi1 ;
Kp 
4

 i  2   i 1   i 2   d 2

 Pi 1  b1  sin 1  g ( m  l  mc  l ЦМС )  cos(1c   );
4
h2
 d2

h2

 i  2   i 1   i  2 

 Pi 1  b1  sin  1  g ( m  l  mc  l ЦМС )  cos( i 1   ) ;
2 
Jc  m l  4

(J c  m  l 2 ) 
i 
h2
Jc  m l 2
  d 2

 
 Pi 1  b1  sin  1  g (m  l  mc  l ЦМС )  cos( i 1   )   2   i 1   i  2 ;
 4

sin 1 
a1  sin( 1   i 1 )
2
1
2
1
.
a  b  2  a1  b1  cos( 1   i 1 )
Коэффициент податливости упругих элементов гидропривода рассчитывается по эмпирической зависимости, полученной экспериментальным путем:
10 5
Kp 
, м 5 / Па .
7,28  P  106
Для статического расчета используется формула из
 M 0  G  L  cos(   H )  P  h  0 .
(12.9)
(12.10)
Выражение (12.10) приводится в соответствие с принятыми обозначениями
 d2
M0 
 P  b1  sin  1  g  (m  l  mc  l ЦМС )  cos(1c   )  0 . (12.11)
4
Откуда
g  (ml  mc  l ЦМС )  cos( i   )
Pi 
.
(12.12)
 d2
 b1  sin 1
4
Для метода статического расчета формула расхода рабочей жидкости запишется следующим образом
 d2

Q  Kt 
 b1  sin 1 
 ay  P ;
4
t
(12.13)
378
Q  K t  a y  Pi
 i   i 1

;
(12.14)
h
 d 2
 b1  sin 1
4
(Q  K t  a y  Pi )  h
i 
  i1 .
(12.15)
 d2
 b1  sin 1
4
Для решения данной системы дифференциальных уравнений составлена
программа на языке программирования «Delphi» и реализована на ЭВМ.
В качестве исходных данных были взяты параметры универсального навесного гидроманипулятора ЛВ-184А, выпускаемого Майкопским машзаводом.
Отличия при статической и динамической оптимизации наглядно показаны на
рис. 12.3. Верхняя кривая представляет собой максимальное давление процесса
подъема (динамический расчет) при соответствующем значении параметра b1.
Минимальное (оптимальное) давление из всех приведенных было достигнуто
при значении b1 = 0,9 м. Аналогичным образом нижняя кривая представляет собой максимальные значения давлений процессов (статический расчет) при соответствующих значениях геометрического параметра b1. В данном случае оптимум был достигнут при значении b1 = 0,66 м.
500
450
400
350
P, МПа
300
250
200
150
100
50
0
0,66
0,68
0,72
0,74
0,76
0,77
0,88
0,9
0,92
1,04
1,05
1,08
1,24
1,33
1,44
1,52
1,55
b1, м
Рис. 12.3. Зависимости давления в гидроцилиндре от кинематических параметров
Рис. 12.4 и 12.5 наглядно демонстрируют зависимость характера переходного процесса от коэффициента податливости. На рис. 12.4 коэффициент
податливости рассчитывается по эмпирической зависимости
379
10 5
Kp 
, м 5 / Па ,
7,28  P  106
а на рис. 12.5 коэффициент податливости рассчитывается следующим образом
Kp  2
10 5
, м 5 / Па .
7,28  P  106
Таким образом, увеличение податливости упругих элементов гидропривода вызывает увеличение периода затухающих колебаний давления, уменьшение пикового давления с 340 до 320 МПа, но время затухания колебаний возрастает, что отрицательно скажется на работе гидропривода.
З ав ис им ос т ь