автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование типоразмерного ряда ротационных почвообрабатывающих рабочих органов на базе дернинного бороздовскрывателя с эллиптическими лопастями

На п^амх рукописи

КАЗАКОВ Юрий Федорович

ОБОСНОВАНИЕ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА РОТАЦИОННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ НА БАЗЕ ДЕРНИННОГО БОРОЗДОВСКРЫВАТЕЛЯ С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ ЛОПАСТЯМИ

Специальность 05.20.01 - Технология и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Чебоксары - 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Медведев Владимир Иванович Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Кормщиков А.Д.

- доктор технических наук, профессор Макаров П. И

- доктор технических наук, доцент Иншаков А. П.

Ведущее предприятие - Татарский научно-исследовательский

институт сельского хозяйства (ТатНИИСх)

Защита состоится «02» «июля» 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 в ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА» по адресу 428000, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА».

Автореферат разослан «31» «мая» 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук.

Михайлов Б.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Для выполнения комплекса работ по повышению продуктивности кормовых угодий требуется разработать орудия, почвообрабатывающие рабочие органы которых должны отвечать агротехническим и экологическим требованиям на выполняемые операции, а также требованиям уменьшения энергозатрат.

Рабочие органы известных средств механизации по улучшению кормовых угодий характеризуются большим тяговым сопротивлением, плохой за-глубляемостью, высокими энергозатратами.

Работа выполнена в соответствии с позиций 04.09 научно-технического задания О.СХ.109 «Разработать и внедрить машины и орудия для защиты почв отводной, ветровой и других видов эрозии, предусмотренные системой машин на 1981-1990 гг. и обосновать новые технологические процессы и средства механизации, удовлетворяющие требованиям почвозащитного земледелия».

Цель работы: Повышение производительности орудий, улучшение качества их работы, снижение энергоемкости, совершенствование технологических приемов по улучшению кормовых угодий путем обоснования типо-размерного ряда ротационных почвообрабатывающих рабочих органов на базе дернинного бороздовскрывателя с эллиптическими лопастями.

Для реализации поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Исследован процесс взаимодействия лезвия дискового рабочего органа с почвой и на этой основе дано механико-технологическое обоснование разработки дисковых рабочих органов для обработки дернины кормовых угодий, расположенных на склонах, определены их рациональные конструкционные и режимные параметры.

2. Обоснованы основные параметры конструкции и режимы работы почвообрабатывающих лопастных ротационных рабочих органов (ЛРРО) с

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ(

целью выполнения агротехнических требований на различные операции по обработке почвы с наименьшими энергозатратами.

3. Разработаны методики:

- кинематического анализа работы ЛРРО имеющего в качестве рабочего элемента вращающийся трехгранный клин;

- определения угла резания вращающимся трехгранным клином;

- построения годографа скоростей рабочего органа и частиц почвы с целью обоснования путей снижения кинематического режима работы ЛРРО и уменьшения инерционной составляющей реакции почвы.

4. Разработана методика оценки качества обработки почвы ЛРРО и в соответствии с ней требования к параметрам конструкции, скоростному режиму, а также определены пути управления качеством обработки почвы.

5. Обоснована и представлена методика расчета силовых и мощност-ных показателей работы ЛРРО в условиях широкого изменения его геометрических размеров, глубины хода, режима работы при полосной и сплошной видах обработки почвы и на этой основе разработана классификация и методика проектирования типоразмерного ряда ЛРРО.

6. Проведены поэтапный анализ работы разновидностей ЛРРО и многофакторный эксперимент в почвенном канале с целью изучения качественной картины взаимодействия ЛРРО с почвой, а также лабораторно-полевые испытания макетных образцов почвообрабатывающих орудий с расчетными геометрическими параметрами ЛРРО для проверки адекватности полученных аналитических зависимостей.

Объект исследований: процесс обработки почвы почвообрабатывающими лопастными ротационными рабочими органами.

Предмет исследований: определение оптимальных параметров и режимов работы ЛРРО по критериям качества обработки почвы, производительности, энергозатратам.

Научная новизна и практическая значимость исследований.

На базе дернинного ротационного бороздовскрывателя с лопастными рабочими органами разработан перспективный типоразмерный ряд ротационных почвообрабатывающих рабочих органов различного технологического назначения: образование борозды в дернине для подсева семян трав и удобрений; ротационные предплужники на лемешных плугах; нарезание гребней и междурядная обработка при возделывании картофеля; основная обработка почвы; предпосевная поверхностная обработка почвы, глубокорыхлитель с реактивным ротационным кротователем.

Научная новизна технических решений подтверждена 7 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Макетный образец орудия с лопастными эллипсовидными рабочими органами для подсева семян трав и удобрений в дернину внедрен в учебном хозяйстве ФГУП УОХ «Приволжское». Теоретические разработки и технические решения используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов. Результаты исследований переданы в ГСКБ ПО «Сиб-сельмаш» г. Новосибирск, в СКТБ ТМ г. Чебоксары для разработки шлейфа почвообрабатывающих органов к мотоблоку, а также во ВНИИР г. Чебоксары для разработки опытных образцов орудий поверхностной и основной обработки почвы, министерству сельского хозяйства Чувашской Республики для разработки системы ведения сельского хозяйства ЧР на 1990-2000 гг. Чи-зельный глубокорыхлитель с реактивным ротационным кротователем, разработанный на основе ах. СССР №954002, прошел испытания на Кировской МИС и рекомендован к производству.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях Чувашского СХИ (ФГОУ ВПО «ЧГСХА») в 1978-2004 гг., Саратовского ИМСХ им. М. И. Калинина в 1982-1984 гг., на научно-практических конференциях вузов Поволжья и Предуралья (19792003 гг.), на научной конференции «Проблемы механизации сельскохозяйственного производства в Казахстане» (1982 г., г. Кустанай), на научно-

техническом совете ГСКБ по дисковым почвообрабатывающим машинам и сеялкам (1984г., г.Новосибирск), на научной конференции Белорусского ИМСХ (1990 г., г. Минск), на Всероссийской научно-практической конференции «Гигиена, ветеринария и экология животноводства» (1994 г., г. Чебоксары), на юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию факультета механизации сельского хозяйства Казанской ГСХА (2000 г., г. Казань), на международной научной конференции «Земледельческая механика. на рубеже столетий» (2001 г., г. Мелитополь), на Всероссийской научной конференции «Современные средства механизации и технического обслуживания в АПК» (2002 г., г. Саранск), на международном научно-техническом симпозиуме, посвященном 100-летию академика Чудакова А.Д. (2003 г., г. Минск), на международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию профессора Медведева В.И., «Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК» (2003 г., г. Чебоксары).

Публикации: По теме диссертации опубликованы 36 научных работ, в т. ч. 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения, На защиту выносятся

1. Методика качественного анализа взаимодействия плоского диска с почвой, поясняющая явление снижения сопротивления перемещению плоского неприводного диска почвообрабатывающих орудий.

2. Методика проектирования многофункциональных ротационных рабочих органов с лопастными рабочими элементами, характеризующимися малыми углами резания и постоянной окружной скорости резания по ширине вскрываемой борозды.

3. Математические зависимости по определению параметров и режимов работы ЛРРО.

4. Аналитические выражения, устанавливающие зависимость силовых, энергетических, качественных показателей работы от параметров и режимов работы ЛРРО, физико-механических свойств почвы.

5. Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 254 наименований, в том числе 30 — на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении показана актуальность рассматриваемой темы, обоснована народнохозяйственная проблема, представлена информация о реализации материалов исследований и приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава «Состояние проблемы и задачи исследования» посвящена анализу приемов и методов улучшения кормовых угодий, рассмотрению направлений развития технических средств для их реализации, перспектив совершенствования ротационных почвообрабатывающих рабочих органов. На основе этого сформулирована научная проблема, определены цель и задачи исследований.

Наиболее совершенным способом резания является резание со скольжением. Скользящее резание с любой желаемой величиной скольжения может быть достигнуто дисковыми рабочими органами, причем диск обеспечивает резание как в режиме активном (при буксовании), так и в пассивном режиме (при скольжении). При работе пассивного (неприводного) диска в зависимости от состояния почвы, геометрических параметров диска, его заточки, степени относительного заглубления в некоторых случаях наблюдается незначительное буксование.

Проведенный анализ технических средств и результатов НИР, посвященных взаимодействию почвообрабатывающих рабочих органов с дерниной показал, что необходимо разработать средства механизации для повышения продуктивности кормовых угодий приемами коренного и поверхност-

ного улучшения с учетом свойств дернины и особенностей работы агрегата на склонах.

С этой целью:

1. Агрегат должен иметь приводные рабочие органы-движители с целью снижения суммарных энергозатрат агрегата на его передвижение и на привод рабочих органов, т. е. непосредственно на обработку дернины.

2. Обеспечивать качество, производительность и безопасность работы на склонах в зависимости от: направления, различных по величине скоростей движения агрегата поперек склона и рабочих органов вдоль горизонталей склона; режима работы рабочих органов - активный, пассивный, пассивный со скольжением или буксованием (притормаживанием); соотношения движущей силы на рабочих органах орудия и движителях трактора (избыток движущей силы на рабочих органах орудий может отрицательно влиять на устойчивость движения агрегата и его КПД).

3. Снижать энергозатраты при обработке дернины ротационными почвообрабатывающими рабочими органами путем:

- подбора оптимального кинематического коэффициента режима работы;

- снижения ударного воздействия ножа ротационного почвообрабатывающего рабочего органа на дернину;

- уменьшения больших углов резания, присущих фрезерным рабочим органам;

- использования приемов резания со скольжением;

- нахождения путей уменьшения блокированного или полублокированного характера резания.

Анализ исследований позволил выдвинуть гипотезу о том, что возможно обеспечить высокий уровень качества выполнения агротехнических и экологических требований, а также уменьшение энергозатрат на обработку почвы путем использования типоразмерного ряда ротационных рабочих органов, характеризующихся малым углом резания, с последовательным по времени вхождением режущей кромки в почву (косое резание), малым кине-

матическим коэффициентом. Такие рабочие органы обеспечивают качественное крошение не только за счет частоты вращения, но и за счет увеличения времени и характера воздействия на почву за один цикл, реализации знакопеременного напряженно-деформированного состояния в пласте, малыми затратами энергии на отбрасывание почвы.

Таким образом, проблема заключается в том, что при выполнении операции, по повышению продуктивности кормовых угодий технологические возможности современных почвообрабатывающих рабочих органов не соответствуют агротехническим и экологическим требованиям, а также требованиям уменьшения энергозатрат.

Поэтому преодоление названного несоответствия предопределило цель и задачи диссертации.

Во второй главе проведено теоретическое обоснование конструктивных параметров и скоростных режимов работы бороздовскрывателя сеялки прямого посева. Большой вклад в разработку ротационных почвообрабатывающих рабочих органов внесли А. Д. Далин, А. И. Лещанкин, Ю. И. Матя-шин, А. Д. Кормщиков, П. И. Макаров, К. К. Курилович, Н. К. Мазитов, М. Н. Чаткин, А. С. Лысков, Р. Годвин, Т. Сакур, В. Зоне и др.

Изучению процесса взаимодействия плоских дисков с почвой посвящено значительное число работ разных исследователей: Н. Нерли, В. П. Горячкина, Г. Н. Синеокова, В. И. Медведева, Ф. М. Канарева, Д. Д. Прокопенко, О. А. Сизова, И. И. Гуреева, А. И. Канаева, А. П, Акимова, К. Чайчица, Э. Смита, Т. Тейлора и др. Большое внимание в них уделено различным подходам к определению реакций резания почвы, так как согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям основная реакция почвы на дисковый нож при различных режимах его работы сосредоточена в зоне его лезвия. Так, в классических работах Н. Нерли и В. П. Горячкина, Г. Н. Синеокова определяются реакции резания дискового ножа в режиме свободного вращения. В работе В. И. Медведева, А. П. Акимова и А. И. Веденеева рассматривается режим активного движения диска, но реакции реза-

ния определяются без выделения сил трения почвы о фаски лезвия дискового ножа. В работе Ф. М. Канарева для определения реакции резания в таком режиме предлагается упрощенный подход, основанный на некоторых допущениях о направлении и точке приложения силы трения почвы о фаски его лезвия.

Нами предлагается единая методика расчета реакций почвы на лезвие с учетом ее трения о фаски лезвия, как для активного, так и для пассивного режимов работы диска.

Для определения сил реакции почвы на лезвие дискового ножа допускаем, что удельное давление (q) почвы, приходящееся на единицу площади фаски лезвия диска, сохраняется постоянным по всей длине лезвия; мгновенный центр скоростей диска (МЦС) не меняет своего положения по вертикали в процессе работы, т. е. кинематический коэффициент Л, равный отношению окружной скорости диска к поступательной, остается неизменным; частицы почвы перемещаются только в направлении перпендикулярном к поверхности фаски. В этом случае относительная скорость частицы почвы будет противоположна векторной проекции скорости v соответствующей точки лезвия диска на плоскость, касательную к поверхности той фаски лезвия, с которой взаимодействует частица (Рис. 1). Вектор относительной скорости частицы имеет следующие координаты:

v'= {v'cosy; vSin^cos^- v$injcos/?sin/?/, (1)

Рис. 1. Схема для определены реакций почвы на фаски элементарного отрезка лезвия <И

Рис. 2. Схема сил, действующих на элементарный отрезок лезвия сИ. в продольной плоскости симметрии диска

Сила трения dF„, действующая со стороны частицы почвы на одну из фасок элементарного отрезка лезвия, совпадает по направлению с вектором относительной скорости частицы, поэтому из (1) можно определить координаты сил трения, действующих на каждую из фасок элементарного отрезка лезвия и их равнодействующую:

¿Кф- dFm' + dFm '= {cosy; sin^cos^ O^F^Vi-sm'/Wr; (2)

Проекции элементарной реакции трения о фаски на горизонтальную и вертикальную оси будут равны

dFtI = dFt, cos9 - dF^ sin 9 (3)

dFiy = dF¿, sin 9 + dF^ cos 9

Так как dFm =f,¡f¡Rld9, где Jф - коэффициент трения почвы о фаски лезвия диска, R - радиус диска, ¡ - ширина фаски (/ « R), то интегрируя первое из соотношений (3) с учетом (2) по углу получим выражение для горизонтальной составляющей результирующей сил трения почвы о фаски лезвия диска:

Ffa-lftfRl S{(c°w cos 3-cos2 ßsiny HnS)!-¡}- sin3 ß sin1 Г dS, (4)

где 9ц = arccos(l = А1® - относительное заглубление диска (А -

глубина погружения диска в почву).

Углы <р, у и 9 связаны между собой соотношениями (р = у +9,

После преобразований и интегрирования (4) получаем:

Рф,1 )[(Я - 1 - ){F(k) - F(k,n/2-9</2))-

(1 +\J,+x><u?>sm'e)(E(k)-E(Krf2-90/2)y±sin\fP4i+*-™«"». (5)

ЗА м

- эллиптические интегралы I и II рода в форме Лежандра.

Üí£=íí22U£!!l£, и р =^а2 + R2 —2aRcos9

Rap

Интегрированием аналогичным образом второго уравнения из соотношений (3) определяется вертикальная составляющая результирующей силы трения почвы о фаски лезвия

рфу • - 1 I). (6)

Приближенное значение горизонтальной Лг и вертикальной реакций вычислим по формулам:

«^«¿[т/^гр - IЯ-11)]; (8)

2с№' I

О

•1

-2 -3

а б

Рис. 3. Графики зависимости составляющих реакции на лезвие от кинематического коэффициента для различных углов заточки: а - горизонтальной; б - вертикальной

Анализ графиков (рис. 3), построенных на основании (7, 8) численным интегрированием по формуле Симпсона, показал, что меньшим углам заточки при постоянной толщине диска соответствуют большие значения силы влечения (на что указывал Нерло Нерли), движущей и выглубляющей сил. Выглубляющая сила значительно снижается: притормаживанием диска (для заторможенного диска она наименьшая) и приданием ему режима активного вращения.

Характер резания различными участками, величины реактивных сил и моментов при резании лезвием зависят от кинематического коэффициента А.

ИИ /

рмо- /

рН!»

Поэтому важно знать величину Ли ее зависимость от свойств почвы (сроков разделки почвы), степени заглубления диска и его конструкционных параметров.

Известно, на боковых поверхностях и на лезвии диска, погруженного в почву, имеются зоны, в которых направление моментов действующих сил трения совпадают с направлением вращения диска, и зоны, в которых оно им противоположно. Если абсолютная величина суммарного момента сил трения для первой зоны превышает абсолютную величину суммарного момента сил трения для второй, то диск катится с буксованием, а в противном случае -он движется со скольжением. Нами величина кинематического коэффициента, положение мгновенного центра скоростей и режим качения диска определены путем приравнивания нулю суммарного момента относительно оси вращения сил трения действующих на боковые поверхности диска и суммарного момента сил трения действующих на фаски лезвия.

Канарев Ф. М. полагает, что равнодействующая сил трения о фаску направлена по вектору относительной скорости в этой точке (рис. 4) и составляет с положительным направлением горизонтальной оси угол

Результирующая сил трения о фаски лезвия, определенная нами, составляет с этим же направлением угол

а = агсТО8(-^==—=—), где /чь /ту проекции результирующей силы на координатные оси (рис. 2). Как показывают численные расчеты, угол между этими векторами является малым и, хотя растет с ростом даже

при и /Г=190 не превышает 10°.

Рис. 4. Схема замены элементарных сил трения на фасках лезвия равнодействующей Р*ф.

Суммарный момент сил трения о фаски для участка лезвия, взаимодействующего с почвой, определен численным интегрированием выражения (9):

М0=2/фЯЛ2 / |(Л-ак5)/ +Лг -2Ясое5 -мп' р&т19 (19. (9)

Анализ графиков безразмерного момента Л/о/2/фдЯ11 (рис. 5а, 56) показывает, что положительный (ведущий) момент формируется уже при Я<1, величина момента при активном режиме значительно возрастает при Л=1,3...1,5. С ростом угла заточки момент уменьшается. Относительное заглубление оказывает малое влияние, если диск приторможен существенно влияет, если диск приводной.

а б

Рис. 5. Графики зависимости суммарных моментов сил трения о фаски лезвия от: а - кинематического коэффициента; б - относительного заглубления

Таким образом, предложенная математическая модель позволяет описать процесс взаимодействия дискового ножа с почвой с учетом трения на фасках его лезвия при различных режимах его работы.

Момент сил трения, действующих на боковые поверхности диска определим по методике профессора Медведева В. И.

а - неполные и полные эллиптические инте-

гралы первого рода соответственно; Е(МА,ф{),Е(Л,у{) и £(1/Л),£(Л) - неполные и полные эллиптические интегралы второго рода соответственно.

Из последних формул при следует формула Н. Нерли.

Мо__ ~ _ т0

Введем безразмерные моменты

0=1^7и,Я0=^"'тогда ки-

нематический коэффициент определяющий режим движения диска, установленного свободно на оси, определится из следующего уравнения:

М0+кт0= 0, (11)

безразмерный коэффициент, зависящий от свойств почвы

где

материала и способа обработки поверхностей диска и его кон-

структивных размеров И I) и определяющий относительный вес суммарных моментов сил трения на боковых поверхностях и на лезвии диска в общем моменте.

Подстановка (9) и (10) в (11) приводит к трансцендентному уравнению, которое решалось для раз-

Рис. 6. Графики зависимости кине- личных значений к К £ численно.

матического коэффициента от Анализ графиков (рис. 6) показал, относительного заглубления при различных значениях к и его экспе- что режим Работы диска существен-

рименталъные значения но зависит от величины его заглубления и свойств почвы (через коэффициент к). С ростом к увеличивается относительный вес момента сил трения на боковых поверхностях, что приводит

к увеличению А. При малых значениях коэффициента к Я< 1, и диск катится со скольжением, при достаточно больших его значениях Л> 1, и диск катится с буксованием для некоторого диапазона значений £

Значение Л=оо соответствует случаю отсутствия сопротивления резанию почвы лезвием. Эксперименты для этого случая были проведены Кана-ревым Ф. М. посредством последовательного погружения диска, движущегося в щели, образованной плотно прилегающими плоскостями с наклеенным на них поролоном. Результаты его экспериментов (пунктирная линия на рис. 6) хорошо согласуются с соответствующей кривой.

Характер поведения графиков для различных к хорошо согласуется и с данными, полученными другими исследователями. Так, с целью определения поступательного перемещения диска за один оборот Г. Н. Синеоков проводил опыты в почвенном канале ВИСХОМа на минеральной почве. Полученные данные свидетельствуют, что при работе диска в почве центр мгновенного вращения лежит ниже опорного диаметра, и диск катится со скольжением.

В опытах С. К. Масюка на торфяных почвах с дисками различных диаметров диски работали со скольжением, причем коэффициент скольжения увеличивался с увеличением глубины хода дисков (т. е. коэффициент уменьшался). Как видно из рис. 6 кривые, соответствующие малым значениям параметра к, ведут себя именно таким образом. Е. М. Гутьяр установлено, что для центрального угла мгновенный центр вращения лежит на

внутренней поверхности диска, но его положение может выйти за пределы диска при небольшой глубине обработки. Такому поведению соответствует кривая с

Дня получения экспериментальных зависимостей соответствующих различным режимам качения диска нами совместно с Константиновым Ю. В. были проведены эксперименты в полевых условиях по определению поступательного перемещения диска диаметром 348 мм, толщиной 3 мм, углом заточки 35°, шириной фаски 5 мм. Экспериментальные значения также хорошо

согласуются с теоретическими (рис. 6): + - для песка, О - для глины, П - для дернины.

Анализ полученных зависимостей и графиков показывает, что при заданном заглублении диска с ростом увеличивается значение а значение силы сопротивления резанию и величина заглубляющей силы при этом уменьшаются, и, следовательно, энергетические затраты на разрезание пласта также уменьшаются. Это можно объяснить тем, что с ростом Л увеличивается длина отрезка лезвия, на котором происходит наиболее совершенный способ резания пласта - резание со скольжением. Так как наибольшее значения Л соответствуют режиму буксования диска, то он будет являться наиболее выгодным с точки зрения удельных энергетических затрат.

Использование дисков в качестве бороздовскрывателя дернинной сеялки предполагает высокий кинематический режим, характеризуется переменной глубиной обработки по ширине и длине вскрываемой бороздки, приводит к разной окружной скорости точек режущей кромки по ширине бороздки.

Поиск рациональной конструкции бороздовскрывателя привел к лопастному рабочему органу, на ступице которой смонтированы лопасти, представляющие собой четверти эллипсовидного диска.

При конструировании фрезерных машин одной из главных задач является (правильный) обоснованный выбор величины диаметра. От этого будут зависеть габариты, масса машины, а также энергетические и агротехнические показатели работы в целом.

Нами диаметр рабочего органа обоснован исходя из глубины обработки, которая на дернине должна быть больше толщины задернелого слоя, с учетом предельной величины относительного заглубления

Следующий конструктивный параметр бороздовскрывателя - соотношение полуосей эллиптической лопасти также определяется агротехническим параметром - шириной борозды: , здесь - угол отклонения большой полуоси от вертикали. В качестве критерия при выборе ширины борозды выбрано отношение их суммарной ширины к общей ширине

17

улучшаемого склона В^щ. В результате анализа литературных источников нами установлено, что, с увеличением крутизны склона допустимая ширина распахиваемых полос уменьшается и при крутизне склона 20° составляет 60...70 % от общей ширины склона (Рис. 7).

С увеличением ширины борозды мощность на фрезеровании N возрастает по кривой с отрицательным ускорением, а удельные энергозатраты Л^ уменьшаются по гиперболической кривой (рис. 8).

Зависимость приживаемости, развития и сохранности подсеянных растений от ширины борозды, обусловленная конкурентоспособностью в отношении света и влаги, имеет вид интегральной кривой (рис. 8).

Анализ литературных источников и наши опыты показали, что сохранность растений значительно возрастает при увеличении ширины обработанной полосы дернины до ¿„= 6...10 СМ. Наибольшая интенсивность снижения энергозатрат при нарезании борозд в дернине наблюдаются при мм, обеспечивающей нормальные условия работы как дискового, так и анкерного сошников.

Принимая во внимание преимущественное значение показателя качества работы - обеспечение благоприятных условий для прорастания семян, развития и сохранности всходов посеянных трав, основным критерием выбора ширины борозды нами выбран показатель сохранности всходов растений.

Экспериментальные наблюдения показали, что ширина борозды должна быть в пределах 6... 10 см.

Возможности ЛРРО выполнять технологические функции и требуемые для этого энергетические затраты во многом определяются углами резания.

Поэтому нами решена задача их определения в зависимости от выбора геометрических и режимных параметров такого рабочего органа.

Если малая полуось лопасти вертикальна в начальный момент времени то закон движения в неподвижной системе координат произвольной точки лопасти, положение которой определяется расстоянием от оси вращения р и угловым

параметром <р (О^ <р записывается в параметрическом виде (рис. 9):

X = рС0$(р + <01) — УЛ ■ у = рът(<р+аХ); (12)

где - поступательная скорость движения почвообрабатывающей машины. Модуль вектора скорости равен

у = +у2 = л1рг(0г + 2ртьт((р+а) + х\ (13)

С точки зрения достижения наибольшей движущей силы и качественного выполнения технологических функций необходимо, чтобы мгновенная ось вращения ЛРРО располагалась не ниже дневной поверхности почвы, т. е. чтобы выполнялось неравенство

Угол резания почвы поступательно движущегося трехгранного клина по определению В. В. Бледных, угол между направлением движения почвы по клину и направлением, противоположным направлению движения самого клина. Если принять модель сжимаемого пласта почвы вращающейся лопастью, то угол реза-Рис. 10. К определению угла г ' 1 г

резания трехгранного клина Х- ния ^ = — в, где в - угол между нормалью п и вектором абсолютной скорости точки лопасти V (Рис. 10):

а . „ Лэтр+созаг 5тХ = СОЪв = &тр (14)

т1Лг + 2Л$\п(р+а)+1

Рис. 11. Зависимость угла резания X от: а) кинематического коэффициента Ли <р; б) кинематического коэффициента Я и угла поворота рабочего органа

а при <р=30°и р=15°.

При выполнении условия и если Л 2; 1/(1 — д}, углы резания

каждого элементарного участка всех лезвий ЛРРО будут неотрицательными и удовлетворяющими неравенствам О^^Д что позволит достичь более качественной обработки почвы с меньшими энергозатратами. Так как для выбранного соотношения ширины борозды и диаметра рабочего органа Д<30°,

энергозатраты на выполнение технологических функций ЛРРО будут в 1,51,7 раза меньше, чем ножами почвообрабатывающих фрез известных конструкций, у которых угол резания 50-55°.

По результатам кинематического анализа, для обоснования путей расширения функциональных возможностей рабочего органа и выявления факторов, способствующих снижению энергозатрат, нами разработана методика построения годографа скоростей.

Рис. 12. Годограф скоростей точек лезвия и частицы почвы.

Вектор абсолютной скорости частицы при воздействии малой полуоси в момент входа в почву , при наибольшем заглублении -

Аг — АН, при выходе из борозды - А^ — А^. Его положение в пространстве можно узнать с помощью направляющих косинусов. Векторы ,

А2—А2, А} — А% характеризуют изменение скорости точки лезвия.

На рис. 13 приведены графики зависимостей направляющих косинусов вектора абсолютной скорости частицы при изменении Л — 1...10,/?= 15...40°, <р =0...90°.

Рис. 13. Зависимость направляющих косинусов вектора абсолютной скорости частицы от кинематического коэффициента X, углов Д <р.

Выводы по годографу:

1) Величиной и направлением абсолютной скорости, зависящих от разных факторов, можно управлять через

2) На участке врезания вектор абсолютной скорости направлен в почвенное полупространство, что приводит к смятию почвы. Разделенный во времени процесс формирования боковой поверхности стружки лезвием малой полуоси и передней поверхности криволинейным лезвием лопасти способствует плавной динамике загрузки привода ЛРРО. Выполнение лопасти с переменным на участке входа, оптимальный угол установки лопасти на ступице будет способствовать плавному заглублению рабочего органа в почву, снижению энергозатрат.

3) Когда вся лопасть находится в почве (в основном в этот период работает «грудь» лопасти вектор абсолютной скорости режущей кромки находится в плоскости дна борозды и направлен в сторону, противоположную вектору поступательной скорости. Это приводит к деформации почвы методом сдвига - малоэнергоемким методом, при этом создается движущая сила, разгружающая ведущие колеса трактора.

4) В период, когда «пятка» лопасти выходит из взаимодействия с почвой, абсолютная скорость направлена преимущественно вверх (к дневной поверхности почвы) и вдоль оси вала, что способствует выносу почвы. Величи-

ной осевой составляющей скорости можно управлять за счет изменения Р на «пятке» лопасти. Можно обеспечить отбрасывание частиц почвы на расстояние, в 2-3 раза превышающее ширину захвата рабочего органа (для таких рабочих органов как фрезерный предплужник, грунтометатель) или наоборот, всего лишь отвалить пласт (стружку), если рабочий орган предназначен для основной обработки или междурядной обработки.

5) Различное сочетание кинематических и конструктивных параметров при использовании безотвальных лопастей позволяет перепускать почву без оборота пласта, что необходимо при поверхностной обработке почвы.

В третьей главе проведена прогнозная оценка разработанного рабочего органа по способности концентрировать напряжения в пласте по интенсивности изменения угла v между нормалью к поверхности и вектором ее абсолютной скорости. Исходя из того, что чем больше изменение величины этого угла, тем больше концентрация напряжений в пласте, утверждаем, что ЛРРО выгодно отличается по этому показателю по сравнению с лемешно-отвальной поверхностью, ножом фрезы, уступая сферическому диску. Этим показателем ЛРРО можно управлять через параметр кинематический режим Я (Рис. 14). Более интенсивного изменения этого показателя можно добиться выполнением поверхности лопасти переменной кривизны, например, для рабочего органа для междурядной обработки картофеля, нарезания гребней, поверхностной обработки почвы.

Предложен показатель и проведена оценка ЛРРО по интенсивности воздействия на пласт через отношение объема почвы, деформированного за ход одной лопасти, к объему деформатора. Для ЛРРО деформатор имеет объем, равный 1/8 части объема цилиндроида радиусом г и высотой, равной ширине обрабатываемой полосы при относительном заглублени^Уста-новлено, что существенного изменения интенсивности воздействия можно обеспечить за счет кинематического режима, количества лопастей, расстановки рабочих органов на приводном валу.

а

б

Рис. 14. Изменение угла V в зависимости от: а) кинематического коэффициента Л и угла {Зпри относительном заглублении И/г=0,4 и <р=0,785; б) относительного заглубления (иугла <р при Л=5 и р=0,14.

Учитывая, что рабочие органы почвообрабатывающих машин часто работают при наличии растительных остатков, нами проведена оценка условий их защемления лезвием ЛРРО. Критическая глубина по условиям защемления описывается условием ^ = 1-^1 — + =0,83>.Приводной ЛРРО при любых конструкционных параметрах и режимах работы не будет забиваться растительными остатками, так как на практике они работают с

Нами рассмотрено изменение параметров, характеризующих условия резания из-за постоянно изменяющегося положения лопасти в пространстве, т. е. от углов наклона (}' и атаки (1 к продольно-вертикальной плоскости движения. Получены аналитические зависимости трансформации угла резания толщины лезвия д(> угла заточки ^ от технологических, конструкционных и кинематических параметров:

На основании анализа этих зависимостей можно сделать следующие выводы:

~ сов^гсоэ {

.(15)

- происходит уменьшение толщины лезвия, угла заточки, а также угла резания лезвием лопасти за счет кинематического режима работы, относительного заглубления, соотношения между полуосями лопасти;

- исполнение лопастей с переменным углом /? вдоль криволинейного лезвия, а также многоскоростной привод ЛРРО позволяют уменьшить затраты энергии за счет снижения действительных величин толщины лезвия, угла заточки, угла резания.

Проведенные исследования по использованию различных ЛРРО в поч-вообработке показали, что частота вращения является одним из основных факторов, обеспечивающих их многофункциональность. Угловая скорость рабочего органа устанавливается исходя из агротребований на выполняемую операцию. Так как с ростом угловой скорости возрастают энергозатраты, надо стремиться к обеспечению агротребований минимально возможной частотой вращения. Иногда она ограничивается особенностью выполняемой операции. Например, при междурядной обработке скорость почвы при сходе с лопасти должна быть минимальной с целью не допустить заваливания окучиваемых растений, не перебрасывать почву в соседние междурядья. На рис. 15, 16 приведены зависимости частоты вращения ЛРРО от его назначения и от соотношения размеров борозды с учетом угла скола почвы

Рис. 15. Зависимость потребной частоты Рис. 16. Зависимость потребной вращения рабочего органа от его радиуса частоты вращения рабочего и относительного ускорения органа отри ф.

При сохранении постоянной частоты вращения для выполнения борозд с разными размерами необходимо иметь рабочие органы разных диаметров (т. е. ) при постоянном или рабочий орган постоянного радиуса но с переменным вдоль лезвия, т. е. для разных участков лопасти, характеризуемых параметром

Анализ относительного ускорения частиц почвы А =-=-;-(16)

g С^тг/З

показал, что при сплошной основной обработке почвы для отваливания пласта достаточно обеспечить относительное ускорение При использовании ЛРРО в качестве бороздообразователя на дернине с различной степенью задернелости желательно активного предплужника для обеспечения полета частиц почвы на ширину захвата корпуса плуга —

Величину угловой скорости рабочего органа с различным радиусом для обеспечения этих режимов можно определить по рис. 15,16. В приводе рабочего органа необходимо предусмотреть вариатор или многоступенчатый редуктор. Можно обойтись без них, если рабочий орган будет иметь переменную величину угла вдоль периферийного лезвия лопасти, т. е. при разных величинах параметра Это возможно, если рабочий орган будет оснащен винтообразными ножами.

Четвертая глава посвящена силовому анализу бороздовскрывателя. Сопротивление почвы деформации лопастным бороздовскрывателем зависит от многих переменных, характеризующих физико-механические свойства почвы, размеры стружки, скоростной режим, параметры рабочего органа: Я = Картина сил, действующих на лопасть со сто-

роны почвы, чрезвычайно сложна.

На рис. 17 представлена расчетная схема секции комбинированной сеялки прямого посева с приложенными к ней силами. G - суммарная сила тяжести секции и сила упругости нагружающей пружины, условно приложен-

ная к оси вращения бороздовскрыва-телей; - реакция со стороны рамы орудия, учитывающая силы сопротивления качению опорно-приводных колес, катков, а также сопротивления сошника. Эта реакция направлена вдоль корпуса секции. На лопасть бо-роздовскрывателя действуют следующие реакции: - равнодействующая сил трения и прилипания почвы о боковые поверхности лопасти; - рав-

Рис. 17. Схема действующих сил и недействующая сил резания почвы реакций на бороздовскрыватель.

основной режущей кромкой лопасти; - равнодействующая сил резания почвы лезвием малой полуоси - «стойкой» лопасти; - равнодействующая реакции сдвига почвы; - равнодействующая сил смятия почвы. Силы направлены в противоположную сторону от вектора абсолютной скорости частицы почвы. Спроектировав силы на оси координат, получим

(17)

Величина тягового сопротивления зависит от :

К = + + + Яа + Дол

Она направлена в сторону вектора скорости поступательного движения и способствует движению агрегата в этом направлении, в связи с чем и получила название «движущей» силы.

Сила является выглубляющей силой. Условием обеспечения равномерной глубины обработки является

Сила Fx - осевая сила, которая вызывает боковой увод рабочего органа и ходовых колес агрегата. Нейтрализация достигается установкой на вал двух бороздовскрывателей с лопастями, ориентированными в противоположные стороны от продольной плоскости симметрии секции.

При силовом анализе бороздовскрывателя приняты допущения:

1. Удельное давление на боковую поверхность лопасти, удельное сопротивление на лезвие режущей кромки не зависят от глубины хода бороз-довскрывателя.

2. Высота гребня дна борозды пренебрежительно мала. Резание лезвием лопасти заканчивается в момент, когда она проходит вертикальную проекцию оси.

3. На тыльной поверхности лопасти реакции трения и прилипания почвы отсутствуют. Они имеют место на боковой поверхности лопасти, взаимодействующей с почвой ненарушенного сложения, т. е. в период от момента входа лопасти в почву до момента, когда точка лезвия режущей кромки лопасти пересечет вертикальную проекцию оси бороздовскрывателя.

Реакции от резания лезвием малой полуоси

= а^Зд/хь! - текущая длина лезвия, участвующего в процессе

резания при том или ином заглублении лопасти, определяемая по разрабо-

танной нами методике. Новизна мето-

У

дики заключается в том, что она позволяет объяснить противоречие, отмечае-

х

мое многими исследователями почвообрабатывающих фрез: наибольшее

'В

значение силы резания по углу поворота наступает раньше, чем наибольшее

смежныхмалых полуосей ЛРО. значение толщины стружки.

Процесс резания почвы лезвием малой полуоси ЛРРО разделим на два этапа: первый соответствует резанию частью лезвия от его конечной точки М2 до некоторой точки Д, расположенной на дневной поверхности почвы или ниже ее (угол а*), а второй — до точки М|, лежащей на части АЕ циклоиды, образовавшейся в почве в результате резания почвы предыдущей лопастью или правее части АЕ (угол &,) (рис. 18).

лезвия при немалых Л близок к треугольному, причем на первом этапе резания он близок к линейному (рис. 19).

Сопоставляя графики относительной длины лезвия в долях от подачи на лопасть с результатами экспериментов по определению силы резания крючковым ножом и текущей толщины стружки за период ее отрезания, полученные профессором Далиным А. Д. (кривые 5, 6 на рис. 19), видим, что максимальные значения силы и длины лезвия стойки ножа, погруженной в почву, соответствуют более близким значениям углов поворота фрезы, по сравнению со значениями, соответствующими максимальной толщине стружки. Это позволяет утверждать, что расчет усилия резания по длине лезвия стойки ножа, погруженной в почву, будет более точным, чем его расчет по толщине отрезаемой стружки.

I

кН 1 5,

Длина режущей части лезвия малой полуоси на первом этапе резания (кривые 1, 3, 4 на

120 140 160 по а Рис. 19. Изменение длины режущей части лезвия в зависимости от {и аз

Закон изменения длины режущей части

Предложенная методика расчета текущей длины режущей части лезвия ЛРРО с некоторыми изменениями может быть перенесена и на другие ротационные рабочие органы и, в частности, на вырезные диски и фрезы. Составляющие реакций сил трения почвы на лопасть (Рис. 20):

Л,г =/рг2А1В, (18)

ЯУТ=/рг1Л21>, (19)

где А = —- коэффициент учитывающий влияние отклонения большой

полуоси лопасти от вертикали;

(20)

F{^B,~-)',E{ipB,^)',E{(Pg,P)- эллиптический интеграл 1-ю и Н-го рода в ле-л Л

жандровой форме.

(21)

Составляющие реакций резания криволинейным лезвием (Рис. 21):

Rxp^gS.rAC (22)

RyP=qS/AK, (23)

1 AJ-1 1

где - толщина лопасти,

я А Л

к=х

1 + 1-С08^.

(24)

(25)

Рис. 20. Схема элементарныхреак- Рис. 21. Схема действия элементар-иий трения дернины о боковую по- ных нормальных и касательных реак-

верхность лопасти.

ции, приложенных к режущей кромке лопасти.

Текущая величина реакции сдвига определена графоаналитическим методом с учетом размеров вскрываемой борозды, относительного заглубления рабочего органа, кинематического режима работы, физико-механических характеристик почвы.

Ra=fok¿lE[e{tzL{a)\

Inch—^-iJ-+fm

180¿U J"

1 —

1

jrz(90-a,)

ch

180*Д

(26)

где E^s(,xl{cc)\- эллиптический интеграл II-го рода в форме Лежандра, П = г cosy/cos/?, kr- коэффициент деформации в см, у = arcctg¿ tg/? cos а.

Основная составляющая мощности и момента сопротивления, обусловленная деформацией почвы, определена с учетом технологического перекрытия лопастей Ул =г(я — ОТ,)/2гг— числа одновременно работающих в почве лопастей при условии, что равнодействующая суммарных реакций почвы приложена к точке дуги лезвия, удаленной от дна борозды на расстояние, равное половине глубины обработки и действует под углом V, = arcsin (1 - £/2) + arctg RjRx - n/2

N = фМ - со vt ^R* + R*r cosy,.

Момент сопротивления на валу, а также мощность возрастают с ростом

ширины захвата, т. е. /?, уменьшаются с ростом X, или со снижением подачи

на лопасть. Это подтверждается экспериментами (Рис. 22, 23). Это вызвано,

31

прежде всего, изменением размеров стружки, а следовательно, длины активной части лезвия, площади трения, площади сдвига.

по экспериментальным данным.

Для разработки методики силового расчета ЛРРО для основной обработки почвы проведен анализ осциллограмм взаимодействия лопасти с почвой, а также наблюдения за работой ЛРРО с одной лопастью на ступице. Установлено, что процесс рыхления складывается из периодически повторяющихся этапов. В момент входа лопасти в почву идёт процесс ее уплотнения, смятия, а затем появляется скол, сдвиг отколотой части стружки в сторону дневной поверхности почвы. По мере поворота рабочего органа новые участки лопасти входят в почву, идёт процесс зачистки дна борозды периферийным лезвием, уплотнение и смятие почвы. При этом кусочек почвы, полученный при первом сдвиге, смещается по поверхности ещё несдвинутой почвы. Затем наступает очередной скол, появляется новая поверхность сдвига. При малом соотношении подачи к глубине хода лопасти поверхность скола (трещина) выйдет на лобовую поверхность отрезаемой стружки, а при большом - на дневную поверхность стружки.

В дальнейшем эти процессы повторяются. Третья и последующие поверхности скола выходят, как правило, на лобовую поверхность стружки. На осциллограмме моменты скола сопровождаются характерными пиками.

Получены математические модели перехода деформации почвы отрывом в деформацию сдвигом с учетом кинематического режима работы, конструкционных параметров ЛРРО, физико-механических свойств почвы - коэффициенты внутреннего и внешнего трения почвы).

f-2c.fr (27)

К, 1 + С05($Ц+Р+*)

Тангенциальная и нормальная составляющие силы, обусловленной сопротивлением почвы деформированию поверхностью лопасти

сдвигом: Г Н? = ~К.КАг ■

отрывом: РЦтр = Kuabh

sin

(z+ъ)

l-smfc+p,)'

-J

ЯГ" =~K.abh

COSi

(z+9>i)

l-sin^ + p,)'

где ¿>=rtg/?, A=5, sin«/, K,=á = 2-^^-cos (а+<р>+ш\ - удельное сопро-

bhcosq>i '

тивление почвы отрыву, К4 =

N sinv

-s¡n(a+í>,+<p'+yS) - удельное

bh eos ^ eos

сопротивление почвы сдвигу, К, - коэффициент учитывающий влияние скорости резания. При sin йй=1 имеем максимальные величины составляющих.

Для предварительной оценки реакций почвы при сплошной обработке ЛРРО нами предложен укрупненный метод расчета. Действие лопасти на почву рассматриваем как воздействие серии двугранных клиньев, характеризующихся различной глубиной хода, имеющих разный угол наклона. Лопасть рассматриваем как равновеликий (по площади) двугранный клин. Условия замены лопасти на равновеликий клин: длина клина равна длине заглубленной части малой полуоси; ширина клина равна ширине захвата лопасти; глубина хода лопасти - переменная величина, зависящая от угла поворота лопа-

сти вокруг оси вала; длина зоны разрушения зависит от положения лопасти, наибольшая величина равна подаче на лопасть.

В пятой главе рассмотрено проектирование неплоских лопастей ЛРРО.

При воздействии плоского клина на материал наибольшее давление формируется вблизи лезвия, что подтверждено экспериментами в почво- и металлообработке. Распределение скорости деформации носит экстремальный характер. Максимальные скорость и энергия деформации совпадают. С целью снижения энергозатрат на крошение почвы необходимо постепенное увеличение угла резания по мере движения пласта по поверхности клина, т. е. начальный участок клина должен быть вогнутым. Для формирования знакопеременного напряжения в почве реакции смежных участков клина должны быть направлены по отношению друг к другу под углом равным или близким к при этом сжатие пласта в одном направлении должно

сопровождаться одновременным растяжением в поперечном направлении. Таким образом, рабочий элемент ЛРРО должен быть винтообразным.

Семейство рабочих элементов с разными свойствами можно получить, меняя угол наклона образующих, величину и направление скорости их движения вдоль оси цилиндроида, задавая различные радиальный и аксиальный шаги направляющих цилиндрических или конических винтовых линий (рис. 25).

Преимущественно вынос почвы из борозды будет при соотношении Рыч^Рт, т. е. винтовой параметр для наружной винтовой линии больше, чем аналогичный параметр соосной внутренней винтовой линии. При р,кф<рш лопасть будет отваливать стружку с поворотом вокруг ее оси, параллельной вектору поступательной скорости орудия V,,. Если рен незначительно превышает Рщ,, то обеспечивается умеренный вынос почвы. Этот случай рекомендуется для рабочих органов, нарезающих борозды в дернине с целью омоложения травостоя и активизация органических веществ, для последующего высева в них семян трав и заделки минеральных удобрений.

Изменение соотношения Рм^Рм, на Рж^Рп, и наоборот вдоль лопасти по ходу пласта призвано формировать знакопеременное напряженно-деформированное состояние в пласте, тем самым способствовать снижению энергозатрат.

На рис. 24 приведены графики изменения винтовых параметров винтовых линий - границ полос многополосной лопасти, полученных сечением винтовой поверхности лопасти круговыми соосными цилиндрами разных диаметров. Они соответствуют случаям: рабочий орган имеет лопасти для сплошной обработки почвы (рис. 24а), при этом его возможности выносить почву из борозды ограничены; для образования борозд (активный предплужник, бороздообразователь) (рис. 246), для нарезания гребней и междурядной

обработки (рис. 24в). Для характерных участков: II - «носка», III - точки перегиба, IV - «пятки» приведены следы пересечения плоскостями, перпендикулярными плоскости вращения малой полуоси. Если Ро^Ртр и отрезок прямой движется по направляющим коническим винтовым линиям, то получаются ножи ротационной бороны, исследованные совместно с Чегуло-вым В. В. (патент РФ №2057413). Если образующая - парабола и движется по коническим винтовым линиям, получаются рыхлительные элементы кро-тователя-глубокорыхлителя, формирующие в пласте преимущественно. напряжения растяжения. При этом часть почвы направляется в полость рабочего органа за счет воздействия режущей кромки рыхлительного элемента, имеющего переменный угол резания (а.с. СССР №954002), исследованный совместно с Мазяровым В. П.

Параметры типоразмерного ряда пассивных и активных ротационных _почвообрабатывающих рабочих органов. _

S ¡1 1 | § »3 « а. X X Q" ж X tí al ¡ х él к Угол отклонения большой полуоси А град Винтовой параметр, р | 1 ^ Угол наклона образующей, у Режим работы f|¡ ш н* * 8 * е

1 Эллиптический дисковый бороздообразователь* 350 - i 7 пост. 0+360 перем. акт. плоская

2 Бороздовскрыватель* 300 • 4 25 пост. 0+90 перем. акт. плоская

3 Фрезерный предплужник* 373 - 4 30 пост. 0+90 перем. акт. плоская

4 Фреза к мотоблоку* 400 4 30 пост. 0+90 перем акт. плоская

5 Гребнеобразователь* 375 250 3 перем. перем. 0+120 перем. акт. неплоская беэот* вальная

6 Кротователь чнзельного глубокорыхл нгсля * 200 80 4 персм перем. 0+120 перем пасс. нож по конич. винт линниям

7 Борона* 450 - 4 перем. перем. 0+100 перем. пасс. нож по конич. винт линииям

8 Фреза для основной обработки почвы 600 - 4 30 пост. 0+90 перем. акт. плоская, прутковая

9 Фреза для основной обработки почвы 600 • 4 перем. перем. 0+90 перем акт. неплоская

10 Фреза для основной > обработай почвы 600 • 2+2 10+персм ПОСГ.+ перем. 0+90 перем. акт. плоская* неплоская

* - конструкции защищены авторскими свидетельствами и патентами.

Характерные размеры типоразмерного ряда ЛРРО, разработанных на базе дернинного бороздовскрывателя с эллиптическими лопастями, приведены в таблице. D - диаметр описанного вокруг ЛРРО цилиндроида или конуса; 0\ - диаметр малого основания усеченного конуса.

В шестой главе приведены методика и результаты лабораторных и полевых экспериментов, а также экономический эффект от использования орудий с ротационными рабочими органами типоразмерного ряда.

Основные выводы

1. Особенность физико-механических свойств дернины с разной степенью задернения позволяет ее рассматривать как упруго-вязкий материал (дернина пойменных лугов), как минерализованную почву, если степень задернения невысокая (дернина пастбищ на берегах суходольных оврагов, 1-3-х летняя дернина многолетних трав). Это многообразие свойств приводит к разным результатам при экспериментальных исследованиях плоских дисковых рабочих органов, предъявляет специфические требования к средствам механизации для ее обработки.

2. На основании математической модели взаимодействия лезвия дискового ножа с почвой и полученных аналитических зависимостей для моментов сил трения на его боковинах и на фасках лезвия построена математическая модель явления скольжения-буксования ножа, получающего вращение в результате его пассивного взаимодействия с почвой; адекватность этой модели подтверждена сравнением с экспериментальными данными.

Полученная модель может служить основанием для анализа качественной картины взаимодействия недеформированного колеса с почвой в условиях глубокого колееобразования.

2.1. Уменьшения энергозатрат на обработку почвы дисковыми рабочими органами, свободно установленными на ось, можно добиться: изменением конструкционных параметров диска (диаметра, угла заточки, ширины фаски); использованием разных материалов для изготовления его боковых по-

верхностей и фасок с различной их обработкой (для получения различных коэффициентов трения); разным относительным заглублением и выбором сроков разделки обрабатываемого пласта с учетом изменения его физико-механических свойств.

2.2. Оптимальных режимов работы дискового ножа можно добиться за счет использования дисков с вырезами на лезвии или (и) боковой поверхности, конических дисков, дисков насаженных на ось вращения под некоторым углом, дисковых органов, состоящих из отдельных лопастей.

3. Обоснованы конструкция ЛРРО, его диаметр, расположение и количество лопастей, соотношение между полуосями лопасти в зависимости от исходного состояния дернины, размеров вскрываемой борозды с учетом критериев качества и энергозатрат.

С целью оценки качества работы, выявления путей расширения функциональных возможностей ЛРРО, снижения энергозатрат, обоснования методик определения силовых показателей рабочего органа определены форма и параметры стружки, разработана методика расчета текущего объема стружки по мере внедрения лопасти в почву; дана оценка по условиям защемления растительных остатков, по крошению почвы через интенсивность изменения угла между нормалью к поверхности лопасти и вектором абсолютной скорости точек этого участка поверхности, а также через соотношение объема деформированной почвы к объему деформатора; проведен кинематический анализ ЛРРО, разработана методика построения годографа скоростей.

4. Разработана методика расчета угла резания вращающимся трехгранным клином (лопастью), совершающим циклоидальное движение. Величина угла резания лопастью в 1,5... 1,7 раза ниже аналогичного показателя фрезерного рабочего органа и соизмерима с оптимальными значениями углов резания пассивными рабочими органами и не превышает 30°.

5. Разработана методика расчета движущей, выглубляющей и осевой сил, а также момента сопротивления и мощности при обработке почвы ЛРРО

в зависимости от угла поворота рабочего органа относительно оси вала, изменения конструктивных и технологических параметров и скоростного режима работы в широких пределах.

6. Получено критериальное уравнение перехода деформации сдвига в деформацию отрыва при воздействии на почву лопасти ЛРРО. Это позволило разработать методику силового расчета рабочего органа для сплошной основной обработки почвы. Оно может быть использовано для силового анализа почвообрабатывающих фрез.

7. Разработана методика проектирования ЛРРО с винтовыми рабочими элементами, позволяющими реализовать знакопеременное напряженно-деформированное состояние в пласте. Сформулированы требования к поверхности рабочего элемента с целью расширения функциональных возможностей, соответствия агротехническим и экологическим требованиям на выполняемые операции, а также требованиям уменьшения энергозатрат.

8. Экспериментальными исследованиями подтверждены основные результаты теоретического анализа.

8.1. В лабораторных условиях исследован процесс вскрытия борозды ЛРРО методами скоростной киносъемки, тензометрированием, планирования многофакторного эксперимента.. Установлено, что в отличие от фрез, где процесс резания ножами носит ударный характер, режущая кромка ЛРРО внедряется в дернину последовательно. Это улучшает крошение почвы, динамику работы ЛРРО и механизмов его привода.

8.2. Наименьшие энергозатраты при вскрытии борозды в дернине толщиной задернелого слоя 3...4 см, задерненностью 26,8 г/дм3, связностью 0,8 МПа с наилучшими агротехническими показателями соответствуют рабочему органу с четырьмя лопастями диаметром 300 мм, углом отклонения большой полуоси лопасти от вертикали 25° при кинематическом коэффициенте режима работы 6... 8.

8.3. Качественные показатели-разделки дернины разработанным ЛРРО: комки размером 1...30 мм составляют 72,5...80,5%, глыбы более 50 мм — 3. ..5%; неравномерность ширины борозды -10... 12%, глубины -12... 14%.

8.4. Удельные энергозатраты на процесс бороздообразования ЛРРО, определенные в полевых условиях методом тензометрирования, составляют

0.60...0.75.Это на 20...50% меньше, чем у фрез с Г-образными ножами. Энергозатраты на один лопастной бороздовскрыватель составили 2...2,2 кВт.

Экономический эффект от использования комбинированной дернинной сеялки с лопастным бороздообразователем составил 2,74 рубУга в ценах 1985 г.

9. На базе дернинного бороздовскрывателя при участии автора разработан и исследован типоразмерный ряд перспективных ЛРРО. Конструкции некоторых рабочих органов этого ряда защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения: фрезерный предплужник; борона для сплошной поверхностной обработки почвы; рабочий орган для нарезания гребней и междурядной обработки при возделывании картофеля; фреза для сплошной основной обработки почвы, глубокорыхлитель-кротователь.

10. Разработан способ поверхностной обработки почвы и устройство для его осуществления на базе ЛРРО. Обоснованы оптимальные параметры конструкции и режимы работы ротационной бороны: диаметр ротора 450 мм, число ножей 4, ширина захвата ротора- 130 мм при угле отклонения плоскости режущей кромки 30°; угол крошения ножей - 18...48°; расстояние между роторами на валу 280 м; афронтальность секции — 16...32°; рабочая скорость 2,5...3,5 м/с. Годовой экономический эффект от использования ротационной бороны составляет 3960 руб. в ценах 1996 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Казаков Ю.Ф., Медведев В.И. Обоснование параметров бороздовскрыва-теля дернинной сеялки //Проблемы механизации сельскохозяйственного производства в Казахстане. - Алма-Ата, 1982. - С. 16-18.

2. Казаков Ю.Ф. Возделывание многолетних трав //Система ведения сельского хозяйства ЧАССР. - Чебоксары, 1988. - С. 67-71.

40

3. Казаков Ю.Ф. Выбор дискового бороздовскрывателя для дернинной сеялки -//Совершенствование конструкций сельскохозяйственной техники. Труды /Горьк. СХИ.- Горький, 1984, С. 35-40.

4. Казаков Ю.Ф. Выбор критериев оценки бороздовскрывателей дернинной сеялки //Гигиена, ветсанитария и экология животноводства. Всерос. на-учн.-практ. конф. 22- 24.09.1994,-Чебоксары, 1994.-С. 175-176.

5. Казаков Ю.Ф; К вопросу проектирования неплоских лопастей ротационных почвообрабатывающих рабочих органов //Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК: Сб. научн. тр. международн. научн.-практ. конф. - Чебоксары, 2003. - С.308-317.

6. Казаков Ю.Ф. К обоснованию поверхности лопасти почвообрабатывающего рабочего органа //Проблемы механизации сельского хозяйства: Научн. тр./ Казан. ГСХА. - Казань, 2000.-С.121-123.

7. Казаков Ю.Ф. Классификация технологических операций и средств механизации улучшения кормовых угодий способом подсева //Исследование машин и рабочих органов для возделывания и уборки с. -х. культур. Горький, 1990, С. 25-29.

8. Казаков Ю.Ф. Обоснование направления вращения бороздовскрывателя дерниной сеялки //Выпускники и преподаватели ЧСХИ агропромышленному комплексу РСФСР. Материалы докладов научн.-практ. конф., Чебоксары, 1992, С. 61.

9. Казаков Ю.Ф. Оценка возможностей формирования бороздки в дернине активными дисковыми рабочими органами для последующего высева в нее семян трав: Научн. трУГорьк. СХИ. - Горький,-1982. - СЗО-33.

Ю.Казаков Ю.Ф. Почвообрабатывающие рабочие органы с винтовыми рабочими элементами //Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники: Материалы XIII научн.-практ. конф. вузов Поволжья и Предуралья. - Нижний Новгород, 2003. - С.47-53.

И.Казаков Ю.Ф. Технология и средства механизации повышения продуктивности кормовых угодий //Земледельческая механика на рубеже столетий. Научн. трУ Таврическ. гос. агротехнической академии, Мелитополь, 2001. - вып. 1. - Т.22. - С.132-137.

12. Казаков Ю.Ф. Энергетическая оценка бороздообразователя сеялки прямого посева по методу Риттингера //Совершенствование развитие мобильных энергетических средств в сельском хозяйстве. - Чебоксары, 1983. -С. 139-144.

13. Казаков Ю.Ф., Константинов Ю.В. К анализу явления скольжения-буксования дискового ножа в почве //Известия ИТА ЧР, 1997, № 3 (8), 1998, № 1 (10), 1997,№4(9), 1998, №2(11), С. 283-289.

Н.Казаков Ю.Ф:, Константинов Ю.В. К расчету силы резания почвы стойкой ножа почвообрабатывающей фрезы. Труды /Чуваш. ГСХА, -Чебоксары, 1997. - Т.ХН. - Вып. III. - С. 40-42.

15. Казаков Ю.Ф., Константинов Ю.В. Методика определения реакции почвы на лезвие дискового ножа при различных режимах его работы. Тру-

ды /Чуваш. ГСХА, Чебоксары, 1997. - Т.ХН. - Вып. III. - С. 36-39.

16. Казаков Ю.Ф., Константинов Ю.В. Прогнозирование интенсивности воздействия ЛЭРО на почву. Проблемы механизации сельского хозяйства. Труды /Казан. ГСХА, - Казань 2000, С. 123- 125.

17. Казаков Ю.Ф., Константинов Ю.В., Павлов А.В., Андреев СБ. Взаимодействие лопастного рабочего органа с почвой. Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК. Сб. научн. тр. международн. научн.-практ. конф., посвящ. 75-летию проф. В.И. Медведева - Чебоксары, 2003. - С. 226-230.

18. Казаков Ю.Ф., Медведев В.И. Методика расчета движущей силы эллипсовидного лопастного бороздовскрывателя //Оптимизация параметров с.-х. Межвузовский сб. научн. трудов шин,- Саранск, 1986, с. 28-37.

19.Казаков Ю.Ф., Медведев В.И., Константинов Ю.В. Расчет длины режущей части лезвия почвообрабатывающего рабочего органа. Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК. Сб. трудов Всеросс. научн. конф. — Саранск, 2002. С. 62-68.

20. Казаков Ю.Ф., Саулич В.А. Выбор режимов и параметров конструкции почвообрабатывающих дерниных рабочих органов по результатам анализа на ПЭВМ. Труды /Чуваш. СХИ. - Чебоксары, 1995, - - Вып. III. С. 109-113.

21.Медведев В.И., Казаков Ю.Ф. Влияние кинематических параметров на качественные и энергетические показатели бороздообразователей дернин-ных сеялок //Совершенствование и развитие мобильных энергетических средств в сельском хозяйстве. - Чебоксары, 1983. - С. 139-144.

22.Медведев В.П., Казаков Ю.Ф. Выбор конструктивных параметров и режимов работы бороздовскрывателей дернинных сеялок.- Тракторы и сельхозмашины, 1984, № 9, С. 21-22.

23. Медведев В.И., Казаков Ю.Ф., Константинов Ю.В. Условия защемления растительных остатков лезвием лопастного рабочего органа. Изв. НАНИ ЧР,№5,2000,№2,2001,С. 105-111.

24.Медведев В.П., Константинов Ю.В., Казаков Ю.Ф. Исследование кинематики лопастного ротационного рабочего органа для обработки почвы //Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК. Сб. научн. тр. международн. научн.-практ. конф., посвящ. 75-летию проф. В.И. Медведева, Чебоксары, 2003, С. 179-186.

25.Казаков Ю.Ф. Обоснование основных параметров бороздовскрывателя дерниной сеялки. Материалы республ. научн.-практ. конф. молод, учен, и спец. ЧАССР.- Чебоксары, 1985. - С. 95-96.

26. Казаков Ю.Ф. К обоснованию ширины борозды в дернине для последующего высева в нее семян трав. Труды //Чуваш. СХИ. - Чебоксары, 1986, С. 32-33.

27. Казаков Ю.Ф. Предварительная оценка лопастного бороздовскрывателя по крошению. Материалы межвузовской научн.-метод, конф. кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья. - Казань, 1994. -С 92-94.

28. Казаков Ю.Ф. Оценка эллиптического почвообрабатывающего рабочего органа //Повышение эффективности вузовской науки и улучшение качества подготовки специалистов с высшим образованием: Материалы на-учн.-техн. конф. - Чебоксары, 1991, С. 117-118.

29.Совершенствование технологии и разработка рабочего органа для поверхностной обработки почвы. Медведев В.И., Казаков Ю.Ф., Чегулов В.В., Москвичев С.А., Федоров В.Н. Отчет по НИР. - Чебоксары, 1994, 36 с.

30.А.с. 1255071 СССР. Бороздообразующий рабочий орган. Медведев В.И., Казаков Ю.Ф., Загрядский Г.В., Марченко О.С, Коваленко П.П., Семенов Н.Т. (СССР). - Заявлено 10.11.84, Опубл. 1986, Б.И.№33.

31.А.С. 1014500 СССР. Бороздообразующий диск для образования борозды в дернине /В.И. Медведев, Ю.Ф. Казаков (СССР). - № 3363279/30-15; Заявлено 09.12.81; Опубл. 1983, Б.И.№16.

32. А.с. 1083940 СССР. Рабочий орган почвообрабатывающей машины/ В.И. Медведев, Ю.Ф. Казаков, М.Н. Чаткин, В.Н. Ермолаев (СССР). -№ 3491026/ 30-15; Заявлено 06.07.82; Опубл. 1984, Б.И. № 13.

33.А.с. 858589 СССР. Сельскохозяйственный агрегат для работы на склонах /В.И. Медведев, Ю.Ф.Казаков, А.П. Акимов, B.C. Макаров, А.Ф. Фадеев (СССР). - № 2763803/30-15; Заявлено 10.05.79; Опубл. 1981, Б.И. №32.

34.А.С. 954002 СССР. Устройство для кротования почвы /В.И. Медведев,

A.П. Мазяров, Ю.Ф. Казаков (СССР). - № 3257260/30-15; Заявлено 06.03.81; Опубл. 1982, Б.И. №32.

35.А.С. 954005 СССР. Орудие для противоэрозионной обработки почвы на склонах /В.И. Медведев, А.П. Мазяров, Ю.Ф. Казаков (СССР). -№ 3267361/30-15; Заявлено 21.01.81; Опубл. 1982, Б.И. № 32.

36. Патент 2057413 РФ. Способ поверхностной обработки почвы и устройство для его осуществления./ В.И. Медведев, В.В. Чегулов, B.C. Макаров,

B.П. Мазяров, Ю.Ф. Казаков (РФ), № 5045878 /15/ 026892. Заявлено 27.05.93; Опубл. 1996, Б.И. №10.

Подписано в печать 27.05.2004. Формат 60x84/16 Бумага писчая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 97 Отпечатано с готового оригинал-макета • полиграфическом отделе ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» 428000, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29 Лицензия ПДЦ №27-3

»105 86