close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров и разработка спирально-пластинчатого рабочего органа комбинированной почвообрабатывающей машины

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЮНУСОВ РАФАИЛЬ ГАБДЕЛЬНУРОВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА
СПИРАЛЬНО-ПЛАСТИНЧАТОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА
КОМБИНИРОВАННОЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ
МАШИНЫ
05. 20. 01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары – 2018
Работа выполнена на кафедрах «Инженерный менеджмент» и «Машины
и оборудование в агробизнесе» Федерального государственного бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
образования
«Казанский
государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО Казанский ГАУ)
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Булгариев Гумар Галиаскарович
Официальные оппоненты:
Сахапов Рустем Лукманович, доктор
технических наук, профессор, заведующий
кафедрой «Дорожно-строительные
машины» ФГБОУ ВО Казанский
государственный
архитектурно-строительный университет
Алексеев Виктор Васильевич, доктор
технических наук, доцент, профессор
кафедры информационных технологий и
математики Чебоксарского кооперативного
института РУК
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО Вятская государственная
сельскохозяйственная академия
Защита состоится « 28 » декабря 2018 года в 1000 часов на заседании
диссертационного совета Д220.070.01 при ФГБОУ ВО «Чувашская
государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003,
г.Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд.222. Факс: (8352)62-23-34; email:info@academy21.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Чувашская ГСХА», сети интернет по адресу: www.academy21.ru в разделе
«Диссертационные советы» от «4» июня 2018 года.
Автореферат разослан «__» ________ 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук
2
Алатырев
Сергей Сергеевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Социально-экономические преобразования,
происходящие в аграрном секторе экономики страны, деградация
сельскохозяйственных
земель,
рост
себестоимости
возделывания
сельскохозяйственных культур, неразрешённость проблемы экологизации
сельского хозяйства и многие другие вопросы требуют от агроинженерной
науки разработки и реализации современных способов и приёмов обработки
почвы.
В этом плане актуальность исследования обусловлена созданием
комбинированных машин с целью совмещения операций минимальной
обработки почвы, которое будет способствовать значительному сокращению
затрат энергии, труда и времени, а также снижению вредного влияния
механической обработки на структуру почвы.
Однако внедрение вышеуказанных агрегатов сдерживается отсутствием
экономичных и надежных рабочих органов машин, в полной мере отвечающих
требованиям агротехники. Поэтому повышение качества минимальной
обработки почвы с обоснованием конструктивных и технологических
параметров рабочих органов почвообрабатывающей машины является
актуальной проблемой, составляющей основу данного исследования.
Государственный регистрационный номер темы научных исследований в
НИОКТР AAAA-A 16-116021210224-0.
Степень разработанности. Обзор и анализ состояния существующих
исследований
по
вопросу
повышения
эффективности
работ
почвообрабатывающих машин с комбинированными рабочими органами
показал, что его реализация сдерживается недостаточной изученностью
данного вопроса как в теоретическом, так и в экспериментальном плане.
Вследствие этого разработка и обоснование конструктивных параметров
рабочих органов машин, обеспечивающих повышение качества выполнения
операций по минимальной обработке почвы, является на сегодняшний день
перспективным и практически необходимым направлением исследований.
Цель работы – обоснование параметров и разработка конструкции
спирально-пластинчатого
рабочего
органа
комбинированной
почвообрабатывающей машины для минимальной обработки почвы.
Объекты исследования. Технологический процесс минимальной
обработки почвы и спирально-пластинчатые рабочие органы комбинированной
почвообрабатывающей машины.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия спиральнопластинчатых рабочих органов с почвой, зависимости количественных и
качественных показателей их работы от конструктивно-технологических
параметров.
Методика и методы исследования. Теоретическая часть исследования
основана на методах и законах земледельческой механики и положений
аналитической геометрии. Экспериментальные исследования были проведены в
3
лабораторных и полевых условиях, где применены действующие
общепринятые методики. Полученные в экспериментальных исследованиях
данные обрабатывались при помощи методов математической статистики и с
учётом теории вероятности.
Научная новизна. Разработана конструкция спирально-пластинчатого
рабочего органа комбинированной почвообрабатывающей машины. Получены
зависимости, позволившие обосновать рациональные значения конструктивных
параметров спирально-пластинчатого рабочего органа, а также – уравнения его
движения в почве. Установлен характер взаимодействия спиральнопластинчатого рабочего органа с почвой в зависимости от его конструктивных
параметров и физико-технологических свойств почвы. Новизна технических
решений подтверждена двумя патентами на изобретения и одним патентом на
полезную модель.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическую
значимость работы составляет совокупность сформулированных научных
положений и результатов экспериментальных исследований по обоснованию и
разработке спирально-пластинчатого рабочего органа почвообрабатывающей
машины. Для практики существенное значение имеет разработанный опытный
образец, а также его внедрение в конструкции серийно выпускаемой машины
КПС-4+РР.
Реализация результатов исследования. Изготовленные опытные
образцы агрегата с предлагаемыми рабочими органами прошли
производственные испытания в КФХ «Гиниятов И.Ш.» Чистопольского района
РТ, ООО «Закамье-Агро» Чистопольского района РТ и в Учебном хозяйстве
КГСХА.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены на научных конференциях ГНУ «Татарский НИИСХ» (2009 г.),
ИНЭКА, г. Чистополь (2009 г.); Казанского ГАУ (2009 -2017 гг.).
Разработанный
рабочий
орган
почвообрабатывающей
машины
экспонировались 2012 и 2016 гг. на 16-ой и 19-ой Международных
специализированных выставках «АГРОКОМПЛЕКС: Интерагро. Анимед.
Фермер Поволжья», в 2016 году на 17-ой международной специализированной
выставке «Энергетика. Ресурсосбережение».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 26 печатных
работах, из них 8 статей – в рецензируемых научных изданиях. Технические
решения, использованные в данной работе, защищены 2 патентами РФ на
изобретение и 1 патентом РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация написана на русском языке,
состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной
литературы и приложений. Материалы диссертации изложены на 194 страницах
машинописного текста и включают 46 рисунков, 6 таблиц, список из 121
наименований литературы, а также 22 страниц приложений.
Степень достоверности результатов. Достоверность полученных
результатов работы обоснована и подтверждена лабораторными и
производственными
исследованиями.
Результаты
экспериментальных
4
исследований подтверждены 90% доверительной вероятности при
погрешностях опытов не более 5%.
Вклад автора в проведённое исследование. Личный вклад соискателя
состоит в: непосредственном участии на всех этапах процесса исследования;
разработке классификации ротационных (шнековых) рабочих органов
почвообрабатывающей машины; обосновании рациональных параметров и
разработке конструктивной схемы спирально-пластинчатого рабочего органа;
изготовлении установки для проведения опытов и экспериментального образца
почвообрабатывающей машины.
Основные положения, выносимые на защиту:

конструктивно-технологическая схема спирально-пластинчатого
рабочего органа почвообрабатывающей машины для минимальной
технологии обработки почвы;

аналитические зависимости по обоснованию и определению формы
рабочих элементов и параметров спирально-пластинчатого рабочего органа
почвообрабатывающей машины;

результаты лабораторных исследований разработанных рабочих
органов почвообрабатывающей машины;

результаты производственных испытаний разработанной машины;

технико-экономическое обоснование использования экспериментальной почвообрабатывающей машины.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во вводной части определена цель исследования, сформулированы
основные положения, выносимые на защиту, а также раскрыта актуальность
темы и её практическая значимость.
В первой главе приводится аналитический обзор агротехнических и
технологических аспектов операций минимальной технологии обработки
почвы, а также рассматриваются тенденции развития технических средств по
их реализации. Произведен анализ аналогичных рабочих органов
почвообрабатывающих машин, а также разработана классификация
ротационных рабочих органов с винтовой поверхностью.
Цель исследования предопределила решение следующих теоретических
и практических задач:
1. На основании проведенного анализа состояния вопроса разработать
конструкцию спирально-пластинчатого рабочего органа для минимальной
технологии обработки почвы.
2. Изучить, проанализировать теоретические основы технологического
процесса минимальной технологии обработки почвы, а также обосновать и
определить
формы рабочих элементов и конструктивные параметры
спирально-пластинчатого рабочего органа почвообрабатывающей машины с
разработкой методики проектирования формы его зубчатого лезвия.
3. Провести исследования рабочих органов почвообрабатывающей
машины в лабораторных условиях.
5
4.
Проверить
работу
почвообрабатывающей
машины
с
экспериментальными рабочими органами в полевых условиях и установить
закономерности изменения энергетических и качественных показателей её
работы.
5.
Дать
технико-экономическое
обоснование
использованию
экспериментальной почвообрабатывающей машины и рекомендации по
производству.
Во второй главе произведён теоретический анализ взаимодействия
спирально-пластинчатого рабочего органа почвообрабатывающей машины с
почвой, дано обоснование его формы и определение конструктивных
параметров, приводятся особенности взаимодействия лезвия зуба с почвой,
анализ процесса перемещения почвы рабочей поверхностью. Также даются
обоснование и определение размеров борозды, удельного сопротивления
пластинчатых пружин с зубьями и представлены (описаны) их уравнения
движения в почве.
Для осуществления указанной цели по совершенствованию
минимальной технологии обработки почвы на основе разработки и
обоснования
параметров
спирально-пластинчатого
рабочего
органа
комбинированной почвообрабатывающей машины нами разработана новая
конструкция спирально-пластинчатого рабочего органа (пластинчатой
пружины или элемента) почвообрабатывающей машины для минимальной
технологии обработки почвы (рисунок 1).
Рисунок 1 – Спирально-пластинчатый рабочий орган: 1 – рабочая
винтовая поверхность, 2 – режущая кромка (лезвие), 3 – передняя кромка зуба,
4 – зуб, 5 – тыльная кромка зуба, 6-упругий элемент (или пружина)
Отличительной особенностью разработанной конструкции является
наличие новых форм рабочей поверхности 1 и режущей кромки 2 (лезвия), а
также средство 6 для регулирования рабочих органов по высоте. При этом её
рабочая поверхность выполнена по винтовой линии волнистой (рифлёной) в
форме турбодиска и образована движением прямой по специальным
криволинейным образующим. Режущая кромка пластинчатой рифлёной
пружины выполнена зубчатой, причём лезвие 3 всех зубьев 4 выполнено по
участкам логарифмической кривой (спирали), а их тыльная кромка 5 –
6
прямолинейной. Также предложенная конструкция имеет специальное средство
для регулирования глубины хода (обработки) рабочих органов, т.е. ограничения
их заглубления с возможностью изменения своего положения по высоте.
Технологический процесс минимальной технологии обработки почвы
спирально-пластинчатым рабочим органом, а также его конструктивные
размеры (параметры) в значительной степени зависят от диаметра D, шага
винта (шнека) t, ширины рабочего элемента H. Также на качество его работы
существенно влияет число (количество) зубьев
на рабочем элементе с
длиной передней
и тыльной
кромок зуба, шагом зуба , шириной
у
вершины зуба, глубиной (высотой) вырезов С' рабочего элемента.
При определении вышеуказанных параметров задаются глубина
обработки почвы – ; угол подъёма винтовой линии (поверхности) – φ'; угол
трения почвы по стали – ; угол внутреннего трения почвы – ; начальный
радиус-вектор –
; текущий радиус-вектор – ; текущий полярным угол,
определяющий логарифмический участок профиля передней кромки зуба –
.
Известно, что в шнековых рабочих органах, где нормаль в рабочей зоне
меняет своё направление через 45 градусов, рациональная глубина обработки
ограничивается дугой кромки лезвия, погруженной в почву, которая
стягивается углом, равным 90 градусов. В этой области стабилизируется
глубина обработки под действием сил реакции почвы, величина которой
зависит от диаметра рабочего элемента и определяется по зависимости:
D=
или D =
(1)
Но эти зависимости были получены для ротационных рабочих
элементов со сплошным лезвием и рабочей поверхностью. Так как рабочая
поверхность исследуемой нами пластинчатой пружины имеет рифлёную
форму, то она оказывает влияние на размещение зубьев её лезвия. Поэтому,
принимая во внимание формулы Е.С. Босого и Г.Н. Синеокого для определения
высоты выреза вырезных дисков:
или
,
(2)
и после некоторых преобразований формул (1 и 2) получим:
=
.
(3)
Для обеспечения лучших агротехнических показателей спиральнопластинчатые рабочие органы необходимо снабжать зубьями, количество
которых определяется из следующего выражения:
=
.
(4)
При этом ширина зуба у её вершины определяется как:
(5)
7
Шаг зуба находится по выражениям:
или
.
(6)
Волнистая (рифленая) форма рабочей поверхности пластинчатой
пружины оказывает большое влияние на конфигурацию его режущей кромки. В
результате чего, зубья её лезвия размещаются по контуру и несколько
отклонены в разные стороны. При этом из условия скалывания почвы и
процесса трещинообразования они отклонены под углом α'(2α'=450) в области
её деформации по периметру винтовой линии. Таким образом, в соответствии с
проведёнными экспериментами Т.М. Гологурского, величина вышеуказанного
угла находится в границах от 400 до 600.
Отсюда, если известен радиус рабочего органа (R) и радиус округления
(сопряжения) выреза зуба (r), то расстояние от вершины зуба до его носка
можно вычислить из выражения:
(
√
√
)
.
(7)
Кроме того, по определяющим параметрам глубины обработки ( ) и
диаметра рабочего органа ( ) величину можно найти по формуле:
√(
)
√
(
)
(8)
Используя уникальную особенность винтовой поверхности, точки
которой при работе спирально-пластинчатых рабочих органов совершают
сложные движения в пространстве, найдены рациональные соотношения между
их конструктивными и технологическими параметрами, а также физикомеханическими свойствами почвы. При этом зависимости шага винта (
)и
ширины рабочего элемента ( ) можно определить по формулам:
(9)
(
),
(10)
где – коэффициент трения.
Также каждый риф размещён под углом скольжения на рабочей
поверхности пластинчатого элемента, который работает по принципу
двугранного клина. При этом максимальная высота каждого рифа ( ) не
должна превышать высоту двугранного клина (
у вершины зуба, которая
определяется по формуле:
,
где
- угол скольжения (крошения) почвы (
8
(11)
).
Для построения проекции передней ( ) и тыльной ( ) кромок зуба и
для их определения сделаем дополнительные построения (рисунок 2).
Для этого сначала через точку А' проведем касательную Т'-Т' и через
точку Т линию 2-2 параллельно оси ОХ. Положение точек А' и Т определяется
величиной высоты (глубины) выреза (С'). Затем через точку В' (носок зуба) под
углом
из условия нормального схода почвы и сорняков с зуба
(рабочего органа) и с учётом условия резания почвы со скольжением и
скалыванием, к оси OZ проведем линию 3-3 до пересечения с линией 2-2. Далее
от точки пересечения Н проведем перпендикуляр 4-4 к оси ОХ. Здесь точка Н
показывает вершину зуба, а точка А' - её пятку и одновременно начало
(проекцию носка) следующего зуба. Положение точек
и G определяется
величиной радиуса округления (сопряжения) вершины (выреза) зуба (r), а
линия GA' является искомой величиной длины тыльной кромки зуба ( ),
которая находится из формулы:
С' r.
(12)
Здесь величина радиуса округления (сопряжения) r выбирается из
условия гарантированного перемещения обрабатываемой среды со
скольжением без сгруживания и заклинивания (защемления) между зубьями.
Следующую искомую величину – длину криволинейного участка
передней режущей кромки зуба ( ), равной участкам B'E, А' , можно
получить по значению текущего радиус-вектора , который определяется по
известному уравнению логарифмической спирали.
Здесь минимальный угол
выбирается из условия установки зуба к
дну борозды, который равен углу КВ'С между касательной В'К и отрезком В'С
(параллельно к оси ОХ):
. Минимальное значение угла трения
для различного типа почв находится в пределах
…
, а величина
-в
пределах
…
.
Учитывая вышеуказанные условия и численные значения величин
и
, можно вычислить начальный радиус-вектор , который откладываем от
точки А' по оси OZ, а конец его является полюсом Т данной логарифмической
спирали. Здесь острый угол A'T равен углу .
Рисунок 2 – К построению тыльной и передней кромок зуба
9
Далее этот угол делим лучами на части и определив значения текущих
радиус-векторов, полученные значения откладываются от полюса Т по
направляющим лучам, а концы их соединяются плавной кривой.
Данная форма лезвия зуба пластинчатой пружины, исполненная по
участку логарифмической кривой (спирали), отвечает требованиям,
предъявляемым к работе рабочего элемента с реактивным вращением.
Таким образом, с целью изучения процесса взаимодействия
последовательно установленных в два ряда пластинчатых рабочих органов с
обрабатываемым материалом и вычисления его оптимальных размеров на
процесс колебания следует описать уравнение их перемещения в составе
агрегата (культиватора).
На рисунке 3 показана кинематическая схема почвообрабатывающей
машины, которая представляет собой подвижное соединение нескольких
звеньев, находящихся в соприкосновении, т.е. состоит из нескольких
кинематических пар и крепится к культиватору радиальной подвеской,
совершающей колебательное движение и перемещающихся поступательно со
скоростью .
На раме 1 данной конструкции (рисунок 3) последовательно
установлены в два ряда зубчатые спирально-пластинчатые пружины 2 и 3 с
различными направлениями навивок (правыми и левыми). Они расположены
свободно на валу, связаны между собой цепной передачей 4 и их концы
закреплены с валом через радиальные лучи (упругие элементы). При этом для
фиксации почвообрабатывающей машины в транспортном положении
предусмотрены две поводковые тяги (подвеска) 5. Причём она в двух местах
подпружинена пружинами 6, действующими через раму 1 на рабочие органы 2
и 3 таким образом, что момент
силы R, являющейся проекцией вектора сил
сопротивления обрабатываемого материала на направление движения рабочих
органов, уравновешивается моментом
, создаваемой силой
,
воздействующей на рабочие органы 2,3 со стороны пружины 6.
Рисунок 3 – Кинематическая схема почвообрабатывающей машины
Итак, данная схема способствует получению высокой частоты
собственных колебаний системы. Здесь колебательное движение рабочих
органов появляется при их работе (вращении) за счёт непостоянства
сопротивления почвы.
10
Кроме того, на характер их движения в почве влияют различные
факторы: конструктивные элементы, кинематический режим и другие. Поэтому
при аналитическом исследовании и выводе уравнения движения этой сложной
динамической системы нами использованы уравнения Лагранжа второго
порядка, и на основании принятой системы обобщённых координат составлены
дифференциальные уравнения движения его в общем виде.
Далее, подставляя найденные значения кинетической, потенциальной
энергий,
диссипативной
и
возмущающих
сил
сопротивления
в
преобразованные дифференциальные уравнения движения Лагранжа второго
ряда (порядка), для нашего случая и после дифференцирования их получим
уравнения
движения
спирально-пластинчатых
рабочих
органов
комбинированной почвообрабатывающей машины в общем виде:
̈
̈
̇
̇
̈
(13)
̈
̇
̇
.
Полученные уравнения достаточно полно отражают характер движения
системы с учётом конструктивных параметров (линейных размеров, массы,
момента инерции) и условий среды, в которой она движется.
В третьей главе представлены программа, методика исследований и
планирования экспериментов, описана установка для проведения опытов, а
также методики измерений, обработки и оценки точности результатов.
Программа лабораторных исследований включала в себя: определение
основных физико-механических свойств почвы; проверку аналитических
зависимостей с целью установления основных конструктивных параметров
рабочего органа; определение влияния скорости перемещения рабочих органов
на составляющие силы сопротивления и энергоёмкость рабочего процесса;
изучение влияния диаметра рабочего органа на составляющие тягового
сопротивления; определение оптимальных параметров зуба режущей кромки и
влияние их на энергетические показатели работы; исследование процесса
взаимодействия пластинчатого рабочего органа с почвой; осуществление
сравнительных испытаний опытных рабочих органов почвообрабатывающей
машины.
Для проведения лабораторных исследований была разработана
установка (рисунок 4) в виде макета двухрядного ротационного рыхлителя со
спирально-пластинчатыми рабочими органами.
11
Рисунок 4 – Установка
(экспериментальная)
для
изучения спирально-пластинчатых
рабочих
органов
почвообрабатывающих машин.
1 – груз; 2 – ЭВМ; 3 – станции
сбора данных ИП-264 с
модулем согласования МС-5; 4
–тензобалка; 5 – датчик
Программа полевых исследований включала в себя: изготовление
опытных образцов спирально-пластинчатых рабочих органов, подтверждение
оптимальных параметров и режимов его работы; изучение работы
почвообрабатывающей машины со спирально-пластинчатыми рабочими
органами по агротехническим показателям, зависящим от её скорости;
исследования закономерностей изменения энергетических показателей
рабочего процесса пластинчатого органа, зависящих от скорости его
поступательного движения; определение технико-экономических показателей
эффективности обработки почвы почвообрабатывающей машиной со
спирально-пластинчатыми рабочими органами.
Рисунок 5 –
Экспериментальная полевая
установка
Процесс функционирования машины исследован в полевых условиях на
установке, показанной на рисунке 5. Исследования проводились в КФХ
«Гиниятов И.Ш.», ООО «Закамье-Агро» Чистопольского района РТ и в
Учебном хозяйстве КГСХА.
В четвертой главе изложены основные результаты лабораторных и
полевых опытов. По энергетическим и качественным показателям рабочего
процесса проводились сравнительные исследования. При этом в почвенном
12
канале был изучен процесс взаимодействия пластинчатых рабочих органов с
почвой в три этапа.
На первом этапе экспериментов исследованы различные формы зубьев
режущей кромки ротационного рабочего органа. Результаты этих исследований
указывают на то, что наиболее оптимальным считается рабочий орган, режущая
кромка которого снабжена зубьями, выполненными по форме логарифмической
спирали. Коэффициент скольжения такого рабочего органа самый низкий, а
тяговое сопротивление в сравнении со сплошным лезвием ниже на 25%.
На втором этапе экспериментов исследованы различные формы рабочей
поверхности ротационного органа. Результаты проведённых исследований
подтверждают, что спирально-пластинчатый рабочий орган с рифлёной
рабочей поверхностью в виде поверхности турбодисков при увеличении как
глубины хода, так и скорости его поступательного движения, характеризуется
наилучшими характеристиками, что гарантирует его стабильный ход на
повышенных скоростях.
На третьем этапе экспериментов проводились исследования спиральнопластинчатых рабочих органов с использованием методов теории планирования
экспериментов, плана для четырёх факторов Бокса. При этом в лабораторных
условиях предусматривалось изучение влияния факторов D (диаметра рабочего
органа, м), V(скорости движения рабочего органа, м/с),
(количества зубьев
на поперечном сечении рабочего органа, шт.) и C (жёсткости упругого элемента
(пружины), Нм/град) на тяговое усилие и вертикальную реакцию почвы. В
основу опытов были положены требования общепринятых ОСТ. Результаты
проведённых исследований в виде графиков представлены на рисунке 6.
Как видно из рисунка 6 , параболические кривые, характеризующие
зависимости
и
, имеют точки перегиба, соответствующие
минимальному сопротивлению. Однако уменьшение диаметра от 0,28 м и менее
вызывает некоторое возрастание энергоёмкости рабочего процесса, что
является следствием дополнительного сопротивления при взаимодействии
подшипниковых узлов несущего вала с почвой. Также при увеличении
диаметра и зубчатых и сплошных рабочих органов из-за возрастания
энергоёмкости процесса обработки (рыхления) почвы прослеживается рост как
горизонтальной, так и вертикальной составляющих тягового сопротивления.
При этом у сплошных рабочих органов выявляется значительная интенсивность
роста указанных показателей. Тогда как у зубчатых рабочих органов
горизонтальная составляющая ниже по сравнению со сплошными органами на
18,2 … 34,7% и возрастает незначительно. Вертикальная же составляющая,
характеризующая устойчивость хода рабочих органов, на 19,8 … 32,5%
меньше, чем у сплошных рабочих органов. По мере увеличения диаметров
рабочих органов эта разница возрастает, а показатель скольжения уменьшается.
Таким образом, в ходе исследования установлена общая закономерность
изменения энергоёмкости процесса рабочих органов, где рациональный
диаметр зубчатого спирально-пластинчатого рабочего органа находится в
пределах 0,300 … 0,350 м.
13
Из рисунка 6 также следует, что с увеличением количества зубьев
пластинчатых рабочих органов от 6 до 16 повышается степень воздействия их
на почву, однако возрастает тяговое сопротивление и масса отбрасываемой
почвы. Как видно из графиков, поставленные условия (требования) по
повышению степени воздействия зубьев на единицу площади, снятию верхнего
слоя сухой почвы и смещению её в стороны, а также уменьшению выноса
влажного слоя почвы на поверхность поля наилучшим образом
удовлетворяются при количестве зубьев, равном 12.
Также исследования показали, что интенсивность изменения
энергетических показателей зубчатых рабочих органов возрастает с
увеличением количества зубьев. При этом у зубчатых рабочих органов
горизонтальная составляющая тягового сопротивления соответственно на 15,7
и 22,6%, а вертикальная составляющая на 8,2 и 10,3% меньше по сравнению с
показателями сплошного (гладкого) рабочего органа.
Рисунок 6 – Изменение сил, действующих на ротационные рабочие
органы в зависимости от: ) диаметра, б) количества зубьев; значение для: 1сплошного рабочего органа, 2 –для зубчатого рабочего органа
Кроме того, получены значения относительного скольжения зубчатых
рабочих органов в почве от их конструктивных размеров. Так с увеличением
количества зубьев происходит уменьшение коэффициента скольжения. Это
связано с тем, что взаимодействие зуба с почвой сопровождается инерционным
явлением при выходе его из почвы.
Важным конструктивным параметром колебательного спиральнопластинчатого рабочего органа является жёсткость упругого элемента
(пружины), определяющая частоту и амплитуду колебаний, от которой зависит
удельное тяговое сопротивление. Результаты исследований показывают, что с
увеличением жёсткости С удельное сопротивление уменьшается и достигается
минимального при значении С около 30Нм/град, также при увеличении
величины С до 35 Нм/град прослеживается незначительное снижение из-за
уменьшения декремента затухания. Дальнейшее увеличение С до 40 Нм/град.
даёт небольшой рост удельного сопротивления, при этом уменьшается
амплитуда колебаний, а это в свою очередь уменьшает результативность
колебаний.
14
В результате анализа и обработки опытных данных получены
адекватные уравнения регрессии, в следующем виде:
(14)
(15)
.
(16)
2
где
– удельное сопротивление почвы, Н/м .
По уравнениям регрессии (14), (15) и (16) построены графические
зависимости показателей процесса от исследуемых факторов. При этом глубина
обработки почвы изменялась от 0,04 м до 0,11 м. Как видно из рисунка 7, с
увеличением глубины обработки, удельное сопротивление почвы
вначале
снижается, достигая минимума, затем вновь возрастает.
Рисунок 7 – Зависимость
от количества зубьев
и скорости рабочего органа
Минимальное значение
, при скорости движения
рабочего органа V =1,67 м/с, соответствует количеству зубьев
=8шт. Это
можно объяснить тем, что, с увеличением количества зубьев пластинчатых
рабочих органов от 6 до 16 повышается степень воздействия их на почву,
однако возрастает тяговое сопротивление и масса отбрасываемой почвы.
При этом все вычисления велись с использованием пакета программ
«Statistica 6». Оценка адекватности полученных математических моделей и
определение значимости ее эмпирических коэффициентов регрессии являются
сущностью регрессивного анализа. Для проверки воспроизводимости опытов
использовался критерий Кохрена.
Таким образом, по результатам лабораторных исследований и с учётом
технологических и конструктивных особенностей лучшими энергетическими и
качественными показателями работы имеет зубчатый спирально-пластинчатый
рабочий орган, обладающий рифлёной рабочей поверхностью в виде
15
поверхности турбодисков, с диаметром 30 … 35 см, количеством зубьев равном
12 и жёсткостью упругого элемента в пределах от 30 до 35 Нм/град.
В результате выполненных исследований и поисковых опытов
разработана конструкция экспериментальной почвообрабатывающей машины
(рисунок 8), представляющая собой серийный культиватор КПС-4+РР.
Опыты
по
оценке
агротехнических
показателей
работы
экспериментальной машины, проведенные в КФХ «Гиниятов И.Ш.»
Чистопольского района РТ и в Учебном хозяйстве КГАУ, показали, что
экспериментальные рабочие органы интенсивно крошат почву и при равных
условиях скорости их движения обеспечивают наилучшие показатели
крошения в сравнении с серийной машиной. При этом повышении скорости с
1,3 до 3,36 м/с содержание элементов почвы диаметром 25 мм и меньше
возросло с 82,0% до 95,05%, тогда как у контрольного агрегата оно составило
68 … 85%.
В
пятой
главе
приведены
результаты
испытаний
почвообрабатывающей машины в полевых условиях и их подробный анализ, а
также расчет технико-экономических показателей. При этом годовой
экономический эффект от использования экспериментальной машины по
расчётам составляет 26650 рублей, а результаты изучения её эффективности в
сравнении с существующими агрегатами для минимальной технологии
обработки почвы показали достоверное превышение урожайности всех
сельскохозяйственных культур.
Рисунок 8 – Агрегат в работе
В ПРИЛОЖЕНИЯХ представлена матрица планирования и результаты
лабораторных опытов, агротехнические показатели работы почвообрабатывающих машин, полученные автором патенты на изобретения и
документы, подтверждающие внедрение результатов исследований по теме
диссертации на производстве.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведён анализ состояния исследований и конструкций машин для
минимальной поверхностной обработки почвы и на его основании разработана
конструктивно-технологическая схема спирально-пластинчатого рабочего
органа почвообрабатывающей машины (патенты №2395183, 2494589 РФ на
изобретение и полезную модель № 141035 РФ).
16
2. Получены аналитические зависимости, которые позволили обосновать
форму и выбор рациональных значений конструктивных параметров
спирально-пластинчатого рабочего органа: диаметр – D=330мм, количество
зубьев – = 12 шт., высота вырезов – С' = 30 мм, расстояние между соседними
зубьями – = 85 мм, длина лезвия зуба – = 41 мм, длина тыльной кромки
зуба – = 25 мм, шаг витка –
= 100…120 мм, ширина зуба у её вершины –
= 68 мм, высота выступа (рифа) –
. Также раскрыты пути
снижения тягового сопротивления, повышения качества его работы и получены
уравнения движения спирально-пластинчатых рабочих органов в почве,
которые использованы как при обосновании конструктивных размеров, так и
при установлении рациональных режимов их работы.
3. Лабораторными исследованиями установлены закономерности
процесса взаимодействия спирально-пластинчатого рабочего органа с почвой и
выявлены наилучшие технологические и энергетические показатели работы у
спирально-пластинчатого рабочего органа с зубьями, выполненными по
участку логарифмической спирали и имеющий волнистую рабочую
поверхность в форме поверхности турбодиска, а также значительное снижение
энергоёмкости, горизонтальных и вертикальных усилий в сравнении со
сплошной (гладкой).
4. Полевыми исследованиями выявлено выполнение условия
скользящего резания спирально-пластинчатым рабочим органом с зубьями,
выполненными по логарифмической спирали и с рифлёной рабочей
поверхностью, обеспечивающей соблюдение условий перемещения почвы и
сорняков относительно неё со скольжением и дополнительным интенсивным
крошением почвы с наименьшим тяговым сопротивлением в сравнении с
контрольным
рабочим
органом.
Производственные
испытания
почвообрабатывающей машины с разработанным рабочим органом
подтверждают повышение качества минимальной обработки почвы и
урожайности в сравнении с существующим агрегатом КПС-4+РР.
5. Годовой экономический эффект от использования предлагаемой
машины составляет 26650 рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Булгариев, Г.Г. Обоснование и определение основных параметров
спирально-пластинчатого рабочего органа / Г.Г. Булгариев, Р.Г. Юнусов //
Вестник Казанского ГАУ. – Казань. – 2013. – №3.(29) – С.57…63.
2. Булгариев, Г.Г. К обоснованию и определению колебательного
процесса спирально-пластинчатого рабочего органа /Г.Г. Булгариев, Г.В.
Пикмуллин, Р.Г. Юнусов // Вестник Казанского ГАУ. – Казань.– 2014. –
№2.(32) – С.63…67.
3. Булгариев, Г.Г. Уравнения движения лезвия зуба спиральнопластинчатого рабочего органа в пространстве /Г.Г. Булгариев, Г.В.
Пикмуллин, Р.Г. Юнусов, Р.Р. Шириязданов // Вестник Казанского ГАУ. –
Казань.– 2016. – №1.(39) – С.66…69.
17
4. Пикмуллин, Г.В. Процесс взаимодействия лезвия зуба пластинчатой
пружины с почвой / Г.В. Пикмуллин, Г.Г. Булгариев, Р.Г. Юнусов, Р.Р.
Шириязданов //Вестник Казанского ГАУ.– Казань. – 2016.– №2.(40) – С.83…86.
5. Юнусов, Р.Г. Обоснование параметров борозды и удельного
сопротивления зубчатых спирально-пластинчатых рабочих органов / Р.Г.
Юнусов, Г.Г. Булгариев, Г.В. Пикмуллин, В.П. Данилов // Вестник Казанского
ГАУ. – Казань – 2012. - №2. – С.76…79.
6. Юнусов, Р.Г. Уравнения движения ротационных (винтовых) рабочих
органов в почве / Р.Г. Юнусов, Г.Г. Булгариев, Г.В. Пикмуллин, В.П. Данилов //
Вестник Казанского ГАУ. – Казань. – 2012. – №4. – С.88…90.
7. Юнусов, Р.Г. Почвообрабатывающее орудие с комбинированными
рабочими органами / Р.Г. Юнусов, Г.Г. Булгариев, Г.В. Пикмуллин, В.П.
Данилов // Научно-практический журнал «Сахарная свекла». – Москва: Изд.
ОАО «Подольская фабрика офсетной печати», 2013.-№2.- С.42…44.
8.
Юнусов,
Р.Г.
Результаты
исследований
показателей
комбинированных рабочих органов почвообрабатывающего орудия/ Р.Г.
Юнусов Вестник Казанского ГАУ.– Казань. – 2017.– №3.(45) –С.97-100.
Патенты
9. Патент №2395183 РФ, МПК А01В 21/00. Почвообрабатывающее
орудие / Юнусов Р.Г, Пикмуллин Г.В., Булгариев Г.Г.; заявл.19.03.2009;
опубл.27.06. 2010, Бюл.№21.
10. Патент №2494589 РФ, МПК А01В 35/18, А01В 49/02 Рабочий орган
орудия для безотвальной обработки почвы / Юнусов Р.Г., Булгариев Г.Г.,
Пикмуллин Г.В., Данилов В.П.; заявл.28.02.2012; опубл.10.10. 2013, Бюл.№28.
11. Патент №141035 РФ, МПК А01В21/00. Почвообрабатывающее
орудие / Булгариев Г.Г., Юнусов Р.Г., Данилов В.П.; заявл.16.10.2013;
опубл.27.05. 2014, Бюл.№15.
Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций
опубликовано 18 статей, важнейшими из которых являются:
12. Юнусов, Р.Г.
Классификация ротационных (винтовых) рабочих
органов почвообрабатывающих орудий / Р.Г. Юнусов, Г.Г. Булгариев //
Инновационное развитие агропромышленного комплекса: Материалы
Всероссийской науч. конф. – Казань: Изд-во Казанского ГАУ, 2011. – Т.78–
С.238...241.
13. Юнусов, Р.Г. Проектирование формы зуба режущей кромки
спирально-пластинчатого рабочего органа / Р.Г. Юнусов, Г.Г. Булгариев //
Перспективные технологии и технические средства в АПК: Материалы
международной науч. конф. Института механизации и технического сервиса. –
Казань, 2013. –С.197…200.
14. Юнусов, Р.Г. Обоснование формы и параметров рабочей
поверхности спирально-пластинчатых рабочих органов / Р.Г. Юнусов, Г.Г.
Булгариев, Г.В. Пикмуллин, В.П. Данилов // Бъдещите изследования – 2013:
Материали за IX международна науч. конф. Том 25. – София: Изд-во «Бял
ГРАД БГ» ООД, 2013. – С.29…32.
18
19
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа