автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования щелевателя на основе использования рабочего органа автоколебательного действия

РГБ 0?.

„ 2

На правах рукописи

Турченко Василий Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЩЕЛЕВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.20.01- Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САРАТОВ-1998

Работа выполнена на кафедре "Организация и технология производства" Саратовского государственного агроинженерного университета.

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент А.А.Дудко

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор С.А.Ивженко

Кандидат технических наук,

старший научны!! сотрудник Н.М.Соколов

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТиН, г. Тамбов)

Защита диссертации состоится " " мая 1998 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д-120.04.01 Саратовского государственного агроинженерного университета по адресу: 410600, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "-£7" апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор Н.П.Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В системе мероприятий по улучшению использования земель важное значение принадлежит созданию оптимальных агротехнических почвенных условий. Низкая водопроницаемость, переуплотнение почв является следствием их природных свойств и применением современных машин и тракторов большой массы.

Одним из методов улучшения земель в этом плане является щелевание почвы. Эффективность щелевания состоит в повышении водопроницаемости и как следствие увеличении, водоаккумулирующей способности почвы в период вегетации растений.

На практике сегодня щелевание проводится, в основном, пассивными рабочими органами. Использование машин с такими органами часто сдерживается большим тяговым сопротивлением.

Интенсификация процесса щелевания путем наложения на рабочий орган или его элементы вынужденных колебаний наиболее эффективна лишь на легких и средних почвах и сравнительно небольших скоростях движения.

При всем многообразии условий работы представляется возможным использование эффекта динамического взаимодействия щслерезного органа с почвой. В отличие от принципа принудительного вибрирования с помощью различного рода вибраторов, в данном случае вибрирование происходит в автоколебательном режиме, то есть без дополнительного подвода энергии.

Решение этой задачи требует детального изучения теоретических аспектов условий возбуждения автоколебаний, конструктивных особенностей нового рабочего органа, специфики его работы.

В настоящей работе изложены результаты исследований в этом направлении.

Цель работы. Повышение эффективности щелевания почвы путем совершенствования технологии и конструктивных параметров рабочего органа.

Объект исследований. Технологический процесс щелевания рабочими органами автоколебательного действия.

Научная новизна. Установлены закономерности взаимодействия рабочего органа автоколебательного действия с почвой.

Предложен метод аналитического определения геометрических параметров рабочего органа для конкретных условий работы щелевателя.

Получены аналитические выражения для определения тягового сопротивления и мощности щелевателя автоколебательного действия.

Практическая ценность работы. Выполненные исследования дают исходный материал для расчета параметров рабочего органа с использованием базовой серийной машины. При этом энергетические показатели и качество работы щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия оказались выше, чем щелевателя с обычными рабочими органами.

Реализация результатов исследования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при изготовлении щелевателя для работы на орошаемых площадях многолетних трав в ТОО "Ударник" (Лысогорский район Саратовской области).

Апробация работы. Материалы исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников СГАУ (СИМСХ им.М.И.Калинина) (Саратов, 1992... 1996 гг.), на заседаниях ВОИР ТОО "Ударник" (п.Октябрьский 1993 г. и 1994 г.) и научно-техническом совете АО "Спектр" (р.п. Лысые Горы, 1995 г.).

Публикация. Основные положения диссертации изложены в б печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 97 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 3 таблицы, библиографию из 74 наименований, из них 4 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

- В ведении излагается актуальность темы и основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса, цель и задачи исследования" раскрывается сущность, назначение и виды щелевания как агромелиоративного приема.

Приводятся технологии и машины для предполивного щелевания многолетних трав. Обзор конструкций щелевателей, применяемых в настоящее время, свидетельствует об условном их разделении на две группы. К первой группе относятся орудия, на которые в качестве приспособления устанавливаются ножи-щелерезы, позволяющие проводить щелевание одновременно с другими видами обработки почвы. Вторую группу составляют орудия, осуществляющие только щелевание - почвощелеватели.

Большинство щелевателей, используемых на практике - машины пассивного действия. Они надежны, универсальны, но обладают значительными тягово-энергетическими показателями. Агрегатирование некоторых таких орудий иногда затруднительно особенно на тяжелых почвах из-за отсутствия тракторов с требуемым тяговым усилием. Поэтому многими разработчиками сегодня предлагаются щелеватели с рабочими органами улучшенной геометрией и с малым коэффициентом трения и щелеватели активного действия на основе использования различного рода вибраций. Но как показывает практика, в первом случае чаще всего наблюдается улучшение качества работы, а снижение тягового сопротивления бывает не достаточным, во втором случае эффективность работы виброщелеватели имеют лишь на легких почвах и при скоростях движения 0,15... 0,25 м/с.

Обзор исследований по резанию грунта вертикальными ножами, выполненных Зелениным А.Н., Синеоковым Г.Н., Ветровым Ю.А. и другими учеными показал, что при щелевании образуются две зоны деформации почвы: верхняя - зона рыхления и нижняя - уплотнения. В зоне рыхления резание,, сопровождаемое скачками силы сопротивления, происходит с периодичным сколом и вытеснением почвенной стружки на дневную

поверхность. Зона уплотнения образуется под действием нормальных напряжений сжатия, то есть, почвенные частицы при работе щелереза вдавливаются в боковины прорезаемой щели. Процесс взаимодействия рабочего органа с почвой, в частности его периодичность, в зоне уплотнения сегодня изучен не до конца.

Анализируя различные способы резания почвы мы пришли к выводу, что активизировать процесс щелевания можно на основе использования динамики взаимодействия упругозакрепленного щелереза с почвой. Возникающая при этом периодичность сопротивления почвы является порождающим фактором автоколебательных движений подвижной часта режущего органа, способствующим снижать энергоемкость работы и повышать качество прорезаемой щели. На основе вышеизложенного сформулированы следующие задачи исследования:

- разработать конструктивную схему щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия;

- определить силовые характеристики взаимодействия рабочего органа с почвой;

- выяснить характеристики колебательного процесса;

- установить рациональные геометрические параметры рабочего органа; ' - определить энергетические и качественные показатели щелевания;

- сравнить результаты модельных экспериментов с данными теоретических исследований;

- определить технико-экономическую эффективность применения щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия.

Во второй главе «Теоретические исследования щелерезного органа автоколебательного действия» дается анализ условий работы, принципа действия, обоснование и описание конструктивно-геометрической схемы, принятой для исследования рабочего процесса щелевания почвы.

Особенностью при резании почвы щелерезным рабочим органом является переменный характер его тягового сопротивления в функции длины передвижения.

За основу для исследования динамики колебательных процессов, возникающих на рабочем органе, была принята схема (рис. 1).

1 — трактор; 2 - рама щелевателя; 3 -стойка; 4 - подвижный щелерез; 5 -долото-шарнир; б ~ пружина; 7 - цилиндрический ролик; 8 - уплотнение

Щелеватель, агрегатируемый с трактором 1, состоит из рамы 2,рабочих органов, каждый из которых включает в себя стойку 3, подвижный щелерез 4, долото-шарнир 5, пружину 6.

Подвижный в наклонно-вертикальной плоскости щелерез может перемещаться относительно стойки. Между ними проложен ряд цилиндрических роликов 7 под уплотнением 8.

При работе щелерез с одной стороны испытывает заглубляющее усилие со стороны шарнира-долота и вертикальной реакции на наклонной привалочной поверхности стойки, с другой стороны - выглубляющее усилие со стороны пружины. На элементарном пути следования с!1 машины энергия разрушения, накопившаяся в почве до наступления предельного равновесия в почву вновь не возвращается, то есть переменная сила сопротивления почвы

А-А

Рисунок 1 - Схема щелевателя с рабочим органом автоколебательного действия:

при резании совершает релаксационные колебания с некоторой амплитудой А и частотой со.

Согласно схеме на рис. 2 усилие пружины Fя^> определяется по формуле: Мп

F =

ГПР

Sin А10А Sina (1 + fi ———)

+ R.v Sin8at , (1)

ф - m2 Sin1 a'

где Мп - заглубляющий момент, действующий на долото-шарнир, Н • м; А, а, дщ- установочные углы рабочего органа., град;

ол

/i = — - отношение длин звеньев долота - шарнира;

Ä.r - горизонтальная составляющая сопротивления щелереза, Н.

Рисунок 2 - Схема для определения силы пружины Fnv-

Согласно схеме (рис. 3) работы щелереза, сопротивление вертикальному Ry и горизонтальному Rx перемещению составит

Ry = fc SiriC (R<p Cosa + R5)

Rx = fv Sina - /с CosC (R<p Com - R<T), (2)

где fc - коэффициент внешнего трения;

С- угол между силой трения и горизонталью, град;

R<p, RS- реакция фасок и боковин щелереза соответственно, Н;

а - угол между фаской и продольной осью щелереза, град.

Усилия заглубления должно быть достаточно для вертикального перемещения щелереза, то есть сила трения, возникающая на рабочих гранях щелереза должна быть

Ry < R\ (Cosag ~ fc Sinag) - Rx SinSiu, (3)

где R\- - нормальная реакция почвы на шарнир-долото, Н: ag- угол установки шарнира-долота, град.

Эффект автоколебания будет наблюдаться, если при резании почвы величина возмущающей силы в вертикальной плоскости будет больше по модулю величины Ry, сопротивляющейся ей.

Исследования показали, что. основными факторами, порождающими автоколебания щелереза являются:

1. Неоднородность физико-механического состава почвы (поры, каменистые включения, непостоянство твердости и др.). .

2. Периодичность скола почвенной стружки в зоне рыхления.

Ддину элемента стружки / (рис. 4) определяли из квадратного уравнения

,Гп]Ь-г 2

212-

ih, 4г Сощ А°¡hT cíSP)

Sin iyCK qa Cosp Sin цгск

где hxp- критическая глубина резания, м; Ц'ск - угол скалывания почвы, град; <р - угол внешнего трения, град; Ао ~ коэффициент пластичности; Ул — объемный вес почвы, JL;

С.ц - сцепление почвы,

Н.

р - угол внутреннего трения, град; qo - коэффициент объемного смятия,

II

= 0,

(4)

Рисунок 4 - Схема для определения длины скалываемого участка

и = Со^<?" 1 ¥ск) - '8Р Со.ч(ах +<р„+ у/гл ) - Кч В)

К,, Сар

где од - предел прочности почвы, Па; <рп - приведенный угол трения, град; I - длина фаски щелереза, м; ^/-сопротивление почвы чистому сдвигу. Па; В - ширина щелереза, м.

Тогда частота скола почвенной стружки а>с будет равна

V

= у '

(б)

где V - скорость движения щелевателя, м/с.

3. Логопериодичность характера фрикционного взаимодействия щелерезного органа с почвой в зоне уплотнения.

Для фрикционной системы "щелерез - почва" имеется критическая скорость взаимодействия (заглубления) Ухр, ниже которой колебания с остановкой неизбежны, а выше - невозможны.

(7)

где Гу - возмущающая сила, вызывающая колебания щелереза в вертикальной плоскости, Н;

- горизонтальная составляющая усилия на щелерезе, Н; с - жесткость пружины, Н/м; g - ускорение свободного падения, м/с2;

<рс = л/40, _ фуНКЦИЯ) в неявном виде связанная с логарифмическим коэффициентом затухания колебаний &3,

®0

где - коэффициент затухания колебаний, с"1;

соп - собственная частота колебаний щелереза, с"1.

Согласно триботехкическим аспектам амплитуду колебаний щелереза определяли по формуле

F

(8)

2 С (2 + 2))

V©.

где У;гскорость заглубления щелереза, м/с.

Период релаксационного колебания Г складывается из времени заглубления (] и выглубления (2 щелереза

' (9)

<у0 С

Общий характер колебательного процесса щелерезного органа описывается уравнением спектра статических смещений

к (10)

Р =

№-Р2У+72Р2 '

где к - конструктивный коэффициент, 1 р — вынуждающая частота, с"1;

, Не2

у - коэффициент, характеризующий сопротивление щелереза при

движении "верх-низ", с-1.

Построив по формулам (7) и (9) зависимости (рис. 5, 6), можно заключить, что возбуждение колебаний щелереза происходит в диапазоне скоростей 1,3-1,9 м/с.

а и

о

При С "Л.. '> мм '

60 (- 90 1 120 1 /50 \—

/ / \

и -кп

-

0,5 /,0

0 10 иЛ

Рисунок 5 - Зависимость критической (-) и фактической (---)

скорости заглубления щелереза от скорости движения

ыг с1

12 10 8 6

2

О

С, :

158

/20 / -V \90

У/

у/

т,с

ом

О,/О

о,я

0,17 0,25 0,5

0,5

1,0 1,5 2,0 %%

Рисунок б - Зависимость частоты и периода колебаний щелереза от скорости движения

(—;--общее колебание;---- в том числе от скола почвенной стружки)

В третьей главе "Методика экспериментальных исследований" приводятся цели, задачи экспериментальных исследований, дается описание лабораторного стенда и полевой установки для исследования рабочего процесса, их подготовка, принцип действия, физико-механические почвенные условия проведения опытов, а также приводится описание регистрирующей аппаратуры и ее тарировка.

Лабораторно-сгендовые исследования позволили экспериментально изучить формирование и параметры автоколебаний рабочего органа.

Полевые испытания призваны в естественных почвенных условиях на опытном образце рабочего органа изучить тягово-энергетические и агротехнические характеристики рабочего процесса.

В четвертой главе "Результаты и анализ экспериментальных исследований процесса щелевания рабочим органом автоколебательного действия" приводится анализ экспериментальных исследований и их сравнение с теоретическими предпосылками.

Многофакторные лабораторные исследования позволили определить оптимальную жесткость пружины. Так для рабочего органа шириной В = 4 см, производящего резание почвы на глубину Н = 0,4 м, жесткость пружины С = 92 Н/мм.

График спектральной плотности амплитуды колебания щелереза (рис. 7) показывает, что наибольшее влияние на амплитуду колебаний имеют частоты 6-13 с1. То есть, как и следует из теоретических предпосылок, в спектре частот колебаний щелереза наибольшее влияние имеют частоты, близкие к собственной частоте щелереза. На рисунке 7 пунктирной линией показана кривая, построенная на основании уравнения (10). Сравнивая ее характер с экспериментальной кривой видно, что данные опытов хорошо

подтверждают теоретические выводы.

5А (и)}

ом 0,06 ом 0,02

/

/

\

ч

н

-4

8-/0. 6-0-*

2-Ю'*

О

5

й

0 Ч с'*

Рисунок 7 - Спектральная плотность амплитуды колебания (-)

и спектр статических смещении (- — —)

Замеры тягового усилия щелевателя с обычным рабочим органом и автоколебательным (рис. 8) показывают, что до скорости движения щелевателя V ~ 1 м/с характер повышения тягового сопротивления в обоих случаях одинаков. При V > 1 м/с прирост тягового сопротивления для щелевателя с автоколебательным рабочим органом идет более интенсивно. Это происходит из-за того, что при превышении этой скорости колебания щелерезов происходят индифферентно от вышеизложенных факторов формирования и протекания колебаний, то есть в большей степени начинает преобладать случайно-вероятностный характер, частота и амплитуда колебаний щелереза при этом снижается и при V =2 м/с щелеватель с рабочими органами автоколебательного действия имеет такое же тяговое сопротивление, что и с пассивными. Теоретическая зависимость при этом согласуется с экспериментальной с доверительной вероятностью Р > 0,95 до скорости V = 1,8 м/с (до критической скорости заглубления щелереза).

Ищ,ЯН

30

15

20

>

О

О

0,5

1,0

1.5

тгЛ

Рисунок 8 - Зависимость сопротивления шелевателя от скорости движения

(---- с обычным рабочим органом; —— - с автоколебательным;

— • — • — - с автоколебательным теоретическая)

Критическая глубина резания рабочим органом автоколебательного действия полностью соответствует значению, полученному • по выражению (5). В проведенных опытах эта глубина на 3,5-4 см была меньше, чем у рабочего органа пассивного действия, следовательно, деформация и степень вспучивания, почвы была тоже ниже.

В пятой главе "Область применения рабочих органов автоколебательного действия и технико-экономическая эффективность щелевания люцерны'.' приведены направления и области, где возможно использование принципа автоколебания. Таковыми являются: машины для нарезки кротовых дрен, рыхлители почвогрунта, в том числе мерзлого, машины, у которых

дополнительный подвод энергии к рабочему органу не целесообразен (при большой глубине обработки).

Результаты экономической эффективности использования щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия показаны путем сравнительной оценки с базовой машиной с пассивными рабочими органами. Новая машина позволила снизить загруженность двигателя трактора с 0,77 до 0,72, расход топлива на 1 кВт мощности с 0,227 до 0,210 кг/ч. Урожайность люцерны повысилась на 5-8 %. Это позволяет получить годовой экономический эффект от применения новой машины на орошаемых площадях в размере 25 тыс. руб.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Интенсификация земледелия неразрывно связана с совершенствованием и широким использованием агромелиоративных и агротехнических мероприятий по регулированию водно-воздушного режима, оптимизации физико-механических свойств почвы и ее структуры. Одним из эффективных методов решения этой задачи является щелевание почвы, применение которого сдерживается значительными расходами, связанными с большой энергоемкостью рабочего процесса. Перспективным направлением в области снижения энергоемкости и повышения качества щелевания является использование рабочих органов автоколебательного действия. Принцип их действия основан на использовании возмущаюших сил сопротивления почвы для возбуждения автоколебаний подвижной режущей части - щелереза в вертикальной плоскости.

Основными результатами исследований по щелевателю с рабочими органами автоколебательного действия явились:

1. Выяснен характер взаимодействия рабочего органа с почвой. В зоне рыхления напряжение испытывают только фаски щелереза, в зоне уплотнения напряжены как фаски, так и боковины щелереза, причем напряжения носят экспонентную зависимость.

2. Эффективность возбуждения автоколебаний щелереза наблюдается в диапазоне скоростей движения шелевателя 1,3-1,9 м/с. Основной спектр частот колебаний щелереза составляет 6-12 Гц, амплитуда "колебаний - до 2,5 мм. -

3. Разработана методика расчета рациональных параметров рабочего органа автоколебательного-действия. Для среднесуглинистой почвы при глубине щелевания Н = 0,4 м и ширине рабочего органа В = 40 мм оптимальными характеристиками являются: угол установки щелереза р = 90"; угол установки привалочной плоскости щелереза 8щ = 10°; угол заострения щелереза а = 90°; угол установки долота-шарнира аг = 20-25°; ширина долота-щелереза 60 мм, длина его звеньев 53 и 27 мм (ц = 3); жесткость пружины с = 92 Н/м.м.

4. Энергоемкость процесса щелевания рабочими органами автоколебательного действия на 8-10 % меньше энергоемкости щелевания обычными рабочими орагнами.

5. Полевые испытания опытного образца щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия, разработанного на основе выполненных исследований, показали, что он обеспечивает лучшие качественные показатели щелевания по сравнению с щелеванием обычными рабочими органами. Повышение качества прорезаемой щели достигается за счет уменьшения критической глубины резания на 3,5-4 см. Благодаря этому улучшилась сформированное«. щели, ее долговечность и функциональная способность (водно-воздушная аккумулирующая).

6. В обрабатываемом почвенном слое 0-40 см его твердость после прохода щелевателя с автоколебательными органами на 8-10 % меньше, чем после прохода щелевателя с обычными рабочими органами, а запасы эффективной влаги увеличились на 6-8 %. В результате этого увеличение урожайности возделываемой культуры - синей люцерны на орошаемых площадях составляет 5-8 %.

7. Годовой экономический эффект от применения щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия при годовой загрузке 200 ч составляет 25 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Основные направления совершенствования глубокорыхлителей для . эрошаемых земель //Сб. науч. работ. Организация, технология и механизация ■фоизводства. - Саратов: СХИ, 1993. - С. 10-20 (Соавтор Дудко A.A.).

2. О возможности использования эффекта автоколебания применительно ■с вертикально режущим ножам //Сб. науч. работ. Механизация, организация и технология производства. - Саратов: СГСА, 1994. - С. 58-62.

3. К вопросу о возникновении переменного характера сопротивления точвогрунтов рыхлящим рабочим органом //Там же. С. 62-71.

4. Щелерезный рабочий орган автоколебательного действия. Информ. теток № 54-97. - Саратов. ЦНТИ, 1997. - 2 с.

5. Стенд для исследования тягово-энергетических характеристик >абочих органов почвообрабатывающих орудий. Информ. листок Ks 55-97, -Маратов. ЦНТИ, 1997.-2 с.

6. Полевая установка для определения энергетических показателей ¡аботы почвообрабатывающлх машин. Информ. листок № 53-97. -Саратов, |НТИ, 1997.-2 с.

Подписано в печать 27.04.98. Формат 60x84/16.

Усл. - печ. л. 1,26. Тираж 100. За/^аз ¿8? Подразделение оперативной полиграфии Саратовского ЦНТИ, 410600, г. Саратов, ул. Вавилова, 1/7.