автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование динамических и конструктивных параметров механизма привода режущего аппарата жатки

Введение.

Глава 1. Наука и техника для уборочных работ и задачи исследования.

Глава 2. Основы теории и метод расчета характеристик силы резания режущего аппарата жатки.

2.1. Кйнематические зависимости в механизме привода.

2.2. Фазовые углы работы режущего аппарата.

2.3. Распределение плотности стеблей при резании.

2.4. Распределение коэффициентов уплотнения стеблей при отгибе.

2.5. Характеристики приведенного момента сил полезного сопротивления и силы резания.

2.6. Пути повышения производительности жатки.

Глава 3. Экспериментальное определение характеристик силы резания.

3.1. Программа и методика экспериментальных исследований.

3.1.1. Зависимость силы резания от усилия в шатуне.

3.1.2. Конструкция шатуна и схема наклейки тензодатчиков.

3.1.3. Тарировка тензодатчиков.

3.2. Испытания в полевых условиях.

3.3. Обработка результатов испытаний. 68 Гпава 4. Динамические характеристики механизма привода при различных вариантах связи с энергетической установкой.

4.1. Уравнение движения машины в дифференциальной форме. ii 4.2. Приведенный момент движущих сил при жестком центральном механизме привода.

4.3. Динамика жатки при индивидуальном механизме привода.

4.4. Крутильные колебания при центральном упругом механизме привода.

4.4.1. Холостой ход.

4.4.2. Рабочий ход.

Глава 5. Предложения по усовершенствованию механизма привода режущего аппарата жатки.

• 5.1. Принцип работы механизма качающейся вилки.

5.2. Кинематическая схема предлагаемого механизма.

5.3. Конструкция предлагаемого механизма.

5.4. Кинематическая зависимость угла поворота кольца-водила от угла поворота ведущей вилки.

5.5. Усилия в предлагаемом механизме привода при форсированном режиме работы.

5.6. Контактные напряжения между коническими телами качения.

Актуальность темы. Одной из нерешенных задач динамики механизма привода режущего аппарата жатки является отсутствие достоверных характеристик силы резания от параметров: поступательной скорости жатки, частоты колебаний ножа, густоты стеблей.

Для исследования динамики любой машины или ее механизмов необходимо знать характеристики движущих сил и сил сопротивления. Среди многих зависимостей одной из главных, входящих в силы сопротивления, для жатвенных агрегатов являются силы сопротивления ножа. Рекомендации по определению таких характеристик в литературе пока нет. В учебных и научных источниках рекомендуется принимать силу резания на длине хода ножа постоянной, не зависящей от перемещения ножа. В то же время известно, что от характеристик и сил движущих и сил сопротивления динамика механизмов зависит существенно.

Поэтому в настоящей работе первой задачей намечено исследование зависимости силы резания от перемещения ножа и других параметров. В дальнейшем, с использованием полученных зависимостей, исследуется динамика механизма привода при различных режимах работы и разрабатывается усовершенствованный механизм привода для обеспечения устойчивой работы на этих режимах. Таким образом, из выше изложенного можно сделать вывод, тема является актуальной.

Цель работы Целью работы является исследование характеристик силы резания режущего аппарата жатки и оценка влияния этих характеристик на динамику механизма его* привода при различных режимах работы, а также разработка усовершенствованного механизма привода, обеспечивающего устойчивую работу жатки для нормальных и форсированных режимов.

Задачи исследований.

1. Разработать теоретический подход для определения характеристик силы резания режущего аппарата жатки и вывести формулы для расчета таких характеристик.

2. Оценить возможности имеющейся экспериментальной базы и наметить задачи и порядок проведения экспериментов, метод их обработки; провести эксперименты в полевых условиях и сравнить результаты с теоретическими расчетами.

3. Исследовать динамику механизма привода, положив в основу у» исследования характеристик силы резания.

4. Предложить конструкцию усовершенствованного механизма привода режущего аппарата.

Методы исследований. В теоретических исследованиях используются известные математические методы: аналитическая и дифференциальная геометрия, математический анализ, операционные исчисления (прямое и обратное преобразования Лапласа-Карсона), теория вероятностей, математическая статистика и другие методы.

Экспериментальные исследования по определению силы резания проводились методом тензометрических замеров перемещений (растяжения-сжатия шатуна) и определения усилий резания с помощью масштабного коэффициента, преобразовывающего перемещения в силы резания.

Научная новизна работы Предложен новый подход к исследованию силы резания. Введены ранее не применявшиеся в таких исследованиях две системы координат: неподвижная - ось абсцисс направлена по направлению движения машины, ось ординат перпендикулярна этому движению, и подвижная, связанная с жаткой, с тем же направлением осей. В неподвижной системе два соседних пальца движутся поступательно по оси ОХ, а каждая точка сегмента ножа совершает колебательные движения по косинусоидальному закону. Середина вершины сегмента делит полосу между пальцами на участки, срезаемые левой и правой кромками сегмента.

Новым является также уравнение движения точки резания (точка пересечения режущих кромок сегмента и противорежущей пластины) в относительной и абсолютной системе координат. установлено, что площадь, занимаемая растениями, предназначенными для последующего срезания за один ход ножа, выделяется ■ и 11 вершиной сегмента за время полного оборота кривошипа а срезается эта площадь одной кромкой сегмента за время поворота кривошипа на угол резания.

Эти положения легли в основу при выводе формулы для расчета силы резания.

Практическая значимость. Полученная формула позволяет ( это доказано в настоящей pa6oje) перейти от графических методов исследования динамики к теоретическим, благодаря чему можно просчитать в короткое время большое количество вариантов и выбрать оптимальный для конкретных условий. Кроме того, предложенная конструкция механизма качающейся вилки, не применяемая ранее, позволит создать механизм для интенсивной работы жатки. На защиту выносятся следующие основные положения: - формула для определения сил резания и методика их определения;

- аналитические исследования динамики привода режущего аппарата жатки и расчета момента инерции маховика;

- конструкция механизма качающейся вилки и анализ изменения сил за цикл установившегося движения.

Реализация результатов работы. Предлагаемая конструкция механизма качающейся вилки по известным причинам пока не применяется при производстве жаток и комбайнов. Однако принцип замены скольжения качением применяется больше 20 лет по предложениям Брянской ГСХА в других отраслях машиностроения. В результате его применения износостойкость и нагрузочная способность возросли в несколько раз, что дает уверенность в том, что при меньших габаритных размерах этот привод будет надежнее, сократит затраты энергии на трение, на нагрев корпуса и улучшит другие показатели.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались: на международных научно-технических конференциях «Проблемы повышения качества машин», Брянск, 1994г., 1998г.; на межвузовских конференциях по проблемам сельскохозяйственного производства, Брянск, 1994,1997,1998,1999,2000гг. на научно-методической конференции, Балашиха Московской области, 2000г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано девять статей, одна из них в центральном журнале «Известия Вузов. Машиностроение», остальные в сборниках по материалам участия в международных и межвузовских конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Она включает 35 рисунков. 46 таблиц. Общий объем диссертации 173 страницы, без приложений 141 страница.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

На основании анализа состояния науки и техники для уборочных работ, имеющихся результатов ранее проводимых нами исследований последних лет по выбранной теме, решена задача по определению характеристики силы резания режущего аппарата жатки в зависимости от нескольких параметров, определено влияние этой характеристики на динамику привода и предложены пути решения проблемы повышения производительности жатвенных агрегатов при повышенных скоростях движения.

По результатам проведенных исследований можно сделать некоторые выводы и рекомендации:

1. Выведены формулы для расчета силы резания в зависимости от перемещения ножа, скорости движения жатки, густоты стеблей. Сила резания имеет переменную характеристику: при скорости № км/ч и меньше максимум силы находится в середине хода ножа, с увеличением скорости максимум смещается влево.

2. Экспериментальными испытаниями в полевых условиях в основном подтверждены теоретические характеристики силы резания.

3. Проведены теоретические исследования динамических сил в приводе для трех вариантов связи с энергетической установкой: при жестком центральном приводе; при индивидуальном приводе; при гибком центральном приводе.

4. Предложен аналитический метод расчета маховика для индивидуального привода. При гибком центральном приводе имеет место пять резонансных частот. Рекомендуется применять жесткий центральный привод с условием, чтобы приведенная жесткость привода была не менее с =25 -О»J Нм/рад

5. Предложена конструкция механизма качающейся вилки для привода режущего аппарата (ножа) жатки, в котором принцип скольжения заменен качением, что позволит использовать жатку при форсированных режимах работы. Проведены кинематические и силовые исследования этого механизма.

1. Абрамов Д.М. О контактном взаимодействии шероховатого цилиндра с плоскостью.// Проблемы трения и изнашивания, 1976 - №10.

2. Авдеев А.В., Козубов В.П. Зарубежные жатки для уборки рапса.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2000 №6.

3. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

5. Аксютенков В.Т., Бондарь (Жукова) Е.В. Две схемы маятниковых подвесок.//М.: Известия Вузов. Машиностроение, 1994, с. 12-15.

6. Аксютенков В.Т., Бондарь (Жукова) Е.В. Высшие кинематические пары с замыкателями касательных сил. Сборник научных трудов международной конференции "Проблемы повышения качества машин" -Брянск, 1994, с. 45-48.

7. Аксютенков В.Т., Бондарь (Жукова) Е.В. О возможности повышения качества прямолинейных направляющих. Проблемы повышения качества промышленной продукции. Сборник трудов 3й международной научно-технической конференции./ Брянск, 1998, с. 41-42.

8. Аксютенков В.Т., Бондарь (Жукова) Е.В. О возможности повышения износостойкости гусеничных цепей. Материалы межвузовскойнаучно-технической конференции "Износостойкость машин" / Брянск, 1996,4 3, с. 7.

9. Аксютенков В.Т. Фрагменты теории геометрических замыкателей // М.: Известия Вузов. Машиностроение, 1990 -№2, с. 6-11.

10. Аксютенков В.Т. Основы теории геометрических замыкателей для узлов сельскохозяйственной техники. Материалы научно-практической конференции Брянского сельскохозяйственного института. // Брянск, 1989, с 271-276.

11. Аксютенков В.Т. Реактивная тяга с элементами качения.// М.: Известия Вузов. Машиностроение, 1990. №2, с. 32-37.

12. Аксютенков В.Т. Реактивная штанга с опорами качения, if М.: Вестник машиностроения, 1993- №3, с. 15-18.

13. Аксютенков В.Т. О возможности повышения долговечности опор качательного движения в сельхозмашинах. В сборнике Основные пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства / Брянск, 1982, с 179-180.

14. Аксютенков В.Т. О совершенствовании опор качательного движения, в книге Пути ускорения научно-технического прогресса в сельском хозяйстве Брянской области.// Брянск, 1983, с 173-174.

15. Аксютенков В.Т. Повышение долговечности опор качающихся звеньев машин путем замены скольжения качением. Материалы Всесоюзной научной конференции по проблеме "Износостойкость машина/Брянск, 1991, с. 152.

16. Аксютенков В.Т. Универсальный шарнир с коническими поверхностями качения.// М.: Вестник машиностроения, 1993 №9, С. 12-15.

17. Аксютенков В.Т., Жукова Е.В. Некоторые аспекты исследования динамики привода режущего аппарата жатки. Брянск, 1994.

18. Браун Э.Д. и др. Моделирование трения и изнашивания в машинах./ Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1982.

19. Александров А.А., Соловьев Ю.И. Пространственные задачи теории упругости. М.: Наука, 1978.

20. Алферов С.А. Динамика зерноуборочного комбайна. М.: Машиностроение, 1973.

21. Артоболевский И.И. Место ученого в сегодняшнем мире. В книге "Академик И.И. Артоболевский" Воспоминания современников. Статьи И.И. Артоболевского./М.: Знание, 1983, с. 107-114.

22. Артоболевский И.И. Перспективные проблемы земледельческой механики. В книге "Академик И.И. Артоболевский" Воспоминания современников. Статьи И.И. Артоболевского./ М.: Знание, 1983, с. 146-158.

23. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988.

24. Ассур Л.В. Исследование плоских стержневых механизмов с точки зрения их структуры и классификации. Известия С.-Петербургского Политехнического института, т. 20, в. 1-2, 1914; т. 21, в. 1-2,1914; т. 22, в. 1; Т. 23, 1915.

25. Александров В.М., Ромалис Б.Л. Контактные задачи в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986.

26. Баклашов Н.И. и др. Натурный эксперимент: Информационное обеспечение экспериментальных исследований./ Н.И. Баклашов, А.Н. Белюнов, Г.М. Солодихин, В.А. Солодовников, АЖ Виксна. М.: Радио и связь, 1982.

27. Баштовой А.Г. Выбор способа уборки зерновых культур в Амурской области. // Техника в сельском хозяйстве, 2000 №1, с. 9.

28. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1965 - 560с.

29. Бель А.И. Опыт уборки зерновых культур на повышенных скоростях.//Техника в сельском хозяйстве, 1982- №3, с. 64-65.

30. Бель А.И. Беспальцевый режущий аппарат.// Техника в сельском хозяйстве, 1964 -№11, с. 71-73.

31. Бель А.И. К вопросу теории отгиба стеблей различными типами режущих аппаратов. Механизация сельского хозяйства. Сборник научных работ./ Рязанский СХИ, Рязань, вып. 14, 1966, с. 5-14.

32. Бель А.И. Расчет средней высоты стерни. . Сборник научных работ./Рязанский СХИ, Рязань, вып. 14,1966, с. 15-21.

33. Бель А.И. Отгиб стеблей при срезе их жатвенным аппаратом. // Тракторы и сельхозмашины, 1968 №6, с. 36-38.

34. Бель А.И. Конструктивные преимущества беспальцевого режущего аппарата. Механизация и электрификация сельского хозяйства. Материалы конференции молодых ученых. М.: Колос, 1968, с. 100-105.

35. Бель А.И. Комбинированный отгиб растений при скашивании зерновых культур. Материалы докладов 19 научной конференции профессорско-преподавательского состава Рязанского СХИ./ Рязань, 1969, с. 4.

36. Бель А.И. Определение максимальных отгибов стеблей беспальцевым режущим аппаратом. Механизация сельского хозяйства. Сборник научных работ Рязанского СХИ. / Рязань вып. 20,1970, с. 125-128.

37. Бель А.И. О результатах работы жатки с беспальцевым режущим аппаратом. Механизация сельского хозяйства. Сборник научных работ Рязанского СХИ. / Рязань вып. 20,1970, с. 129-135.

38. Бель А.И. Отгиб стеблей режущим аппаратом низкого резания. Тракторные двигатели и сельскохозяйственные машины. Сборник научных работ Рязанского СХИ. №26 / Московский рабочий, 1970, с. 47-53.

39. Бель А.И. Определение вспомогательных углов при расчете отгиба растений. Тракторные двигатели и сельскохозяйственные машины. Сборник научных работ Рязанского СХИ. №26 / Московский рабочий, 1970, с. 47-53.

40. Бель А.И. К вопросу рациональной скорости движения жатвенного агрегата. Материалы научной конференции Рязанского СХИ попроблемам зоотехнии, механизации и экономики сельскохозяйственного производства. №28 / Рязань,1972, с. 93-100.

41. Бель А.И. К вопросу определения скорости резания стеблей жатвенным агрегатом. Механизация сельскохозяйственного производства. Сборник научных трудов Рязанского СХИ. Том 30 / Горький, 1970, с. 97-102.

42. Бель А.И. Анализ основных исходных параметров для расчета комбинированного отгиба стеблей. Механизация сельскохозяйственного производства. Сборник научных трудов Рязанского СХИ. Том 30 / Горький, 1970, с. 103-112.

43. Бель А.И. Выбор скоростного режима работы жаток, //техника в сельском хозяйстве, 1977 №6, с. 26-28.

44. Бель А.И. Оптимизация взаимосвязи между скоростями движения ножа и жатвенной машины.// Тракторы и сельхозмашины, 1980 -№10, с. 21-22.

45. Бель А.И. Оптимизация взаимосвязи между скоростями движения ножа и жатвенной машины. Совершенствование конструкций сельскохозяйственной техники. Труды (межвузовский сборник), том 148 / Горький,1980, с. 90-96.

46. Бель А.И. К вопросу прогнозирования рабочих скоростей жаток на скашивании низкорослых хлебов. Исследование эксплуатационных качеств тракторов и автомобилей. Труды (межвузовский сборник), том 155/ Горький, 1981, с. 97-103.

47. Бель А.И., Широков С.Д. Режущий аппарат жатвенных машин с удлиненными сегментами. Исследования машин и рабочих органов для возделывания и уборки сельскохозяйственных культур. Сборник научных трудов. / Горький, 1990, с. 69-74.

48. Бель А.И., Широков Н.Д. Ступенчатый режущий элемент жатки. Комплексная механизация возделывания сельскохозяйственных культур, сборник научных трудов./ М.: 1991, с. 31-38.

49. Белинский А.В., Милюкова М.А. Интенсификация рабочих процессов мобильных сельхозмашин. // Тракторы и сельхозмашины, 2000-№9, с. 34-35.

50. Боровков А.А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1986.

51. Босой Е.С. Режущие аппараты для работы на повышенных скоростях. //Тракторы и сельхозмашины, 1961 №8.

52. Босой Е.С., Сизый Е.В. Испытание сегментов с экспериментальной насечкой. //Тракторы и сельхозмашины, 1969- №2.

53. Барвенко П.Н., Гаврилов В.П. К обоснованию типоразмеров жатвенных агрегатов //Тракторы и сельхозмашины, 1962- №6.

54. Будко А.И. О выборе оптимальных скоростей работы и ширины захвата машин и орудий. // Вестник сельскохозяйственной науки, 1960-№9.

55. Вейс Ю.А. Косилки, жатки и сноповязалки. М.: 1926.

56. Воронин В .А., Жукова Е.В. Результаты исследования динамических характеристик привода режущего аппарата жатки. Материалы 13 межвузовской научно-практической конференции./ Брянск, 2000, с. 60-63.

57. Горячкин В.П. Теория ножей жатвенных машин. Собрание сочинений. Том 5,1940.

58. Горячкин В.П. Собрание сочинений. Том 1-3. М.: Колос, 1965.

59. Голиков В.А., Астафьев В.Л., Селихов В.Т. Результаты испытаний зерноуборочных комбайнов в Северном Казахстане. // Тракторы и сельхозмашины, 2000 №3.

60. Гречко В.В., Гамагин В.П., Кикас А.А., Агеева Г.М. совершенствование конструкции жаток. // Тракторы и сельхозмашины, 2000 №8, с. 14-16.

61. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Л.: Машиностроение, 1984.

62. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.: Высшая школа, 1965.

63. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению. М.: Высшая школа, 1965.

64. Дроздов Н.И. оптимальные скорости режущих аппаратов косилок. //Тракторы и сельхозмашины, 1962- №9.

65. Еремин А. В. Исследование работы режущих аппаратов на повышенных скоростях. Труды ВИМ, т. 40,1966.

66. Жалнин Э.В. Подача хлебной массы в комбайн как случайная величина. Сборник механизации уборки зерновых культур. М.: 1977, с. 20-34.

67. Желиговский В.А. Экспериментальная теория резания лезвием. Труды МИМЭСХ. Вып.IX, 1940.

68. Жук ЯМ. К обоснованию типоразмеров жатвенных машин для раздельной комбайновой уборки. // Тракторы и сельхозмашины, 1961 №3.

69. Жукова Е.В. К вопросу теоретического исследования характеристик силы резания жатки. Материалы XI межвузовской научно-практической конференции. / Брянск, 1998, с. 64-65.

70. Жукова Е.В. Некоторые особенности исследования силы резания режущего аппарата жатки. Материалы XII межвузовской научно-практической конференции. / Брянск, 1999, с. 95-96.

71. Зубов В.И. Теория колебаний. М.: Высшая школа,1979.

72. Карпов Л.И. Динамическая надежность машин. // Техника в сельском хозяйстве, 2000 №2, с. 30-33.

73. Коган С.М. О ширине захвата и поступательной скорости зерноуборочного комбайна. //Сельхозмашина, 1952- №9.

74. Константинов ММ. Проблемы совершенствования уборочных процессов в условиях Южного Урала. // Техника в сельском хозяйстве, 2000-№3.

75. Комбайны зерноуборочные самоходные «ДОН 1500» и «ДОН - 1200». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. -Ростов-на-Дону: ПО«Ростсельмаш», 1991.

76. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М.: Колос, 1994.

77. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. (Перевод с английского) М.: Наука, 1977.

78. Коптев В.В. и др. Основы научных исследований и патентоведения. Учебное пособие для студентов Вузов. / В.А. Коптев, В.А. Бо-гомягких, М.Ф. Трифонова. -М:: Колос,1993.

79. Листопад И.А. Планирование эксперимента в исследованиях по механизации сельскохозяйственного производства. М.: Агропром-издат, 1988.

80. Логинов Л.Н., Серый Г.Ф. Совершенствование комбайнов двухфазного обмолота. //Тракторы и сельхозмашины, 2000- №10, с. 33-35.

81. Мельников В.Н. Логические задачи. Киев. - Одесса. : Высшая школа,1989.

82. Милош Т. Оценка некоторых типов зерноуборочных комбайнов на базе научных исследований. // Тракторы и сельхозмашины, 2001 -№1, с. 43-46.

83. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т.1 и 2. М.: Наука, 1985.

84. Прокопцев В.И. Статистическая динамика изнашивания режущих элементов: Модели, управление и прогнозирование. // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2000 №8, с. 38-42.

85. Сабликов М.В. Теория и расчет режущих аппаратов уборочных машин./ М. 1964.

86. Серый Г.Ф. Зерноуборочные комбайны. / Г.Ф. Серый, Н.И. Косилов, Ю.Н. 5^>машев. М.: Агопромиздат, 1986.

87. Стрелков С.П. Введение в теорию вероятностей. М.: 1964.

88. Ткачев М.П., Паравян Ю.Л. Динамическое напряжение растяжения-сжатия в спинке ножа режущего аппарата косилок. // Тракторы и сельхозмашины, 1974- №10, с. 24-27.

89. Титенок А.В. Совершенствование средств механизации сельскохозяйственного производства в России. Брянск, изд-во БГСХА, 1999.

90. Турбин В.И., Карлин В.Д. Теория механизмов и машин. М.: Высшая школа, 1968.

91. Турбин Б.Г. Сельскохозяйственные машины. / Б.Г. Турбин, А.Б. Лурье, С.М. Григорьев, Э.М. Иванович, С.В. Мельников. Л.: Машиностроение, 1967.

92. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1972.

93. Филиппов А.И. Механизация уборки зерновых культур. М.: Колос, 1977.

94. Царев Ю.А. Оценка агротехнологической эффективности новых и модернизируемых зерноуборочных комбайнов. // Тракторы и сельхозмашины, 1999- №2, с. 28-29.

95. Царев Ю.А., Поскользин Ю.В. Оптимизация парка зерноуборочных комбайнов субъектов РФ по критерию минимума затрат. // Тракторы и сельхозмашины, 2000 №10, с. 10-14.

96. Чебышев П.Л. Теория механизмов, известных по названием параллелограммов. Изд-во А.Н. СССР, 1949.

97. Шеповалов В.Д. Автоматизация уборочных процессов. М.: Колос, 1978.1. ПРИЛОЖЕНИ Я