автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технико-технологические основы создания режущих аппаратов уборочных машин и косилок

■ ^г «ч-зпмиБъвьиппазиъ ъшчипирпъозпьъ <изчичиъ Ч-ЗПЬП.иБЪБЬиичиЪ ичит-ыгш

ч})1Лш.р}гн.1111Ьр}1 рЫфш&т

о-ирчьрадиъ ирсишьзи ттгт№

рьррц4иаи№ иърьъиъь№ <ъ2гоъь№ чвргп и'пирцбъьрь

изьастииъ бь^ъьчи - 5№ъшгтичиъ <мгпьъръьрс

1Гши11шд{1ШП1р]П1'11Пч Ь.20.01 - Я^гацштгипЬиш^шЪ шршшцрщр^'и

сГЬрЬЪицшупиГ Ен ЛрЬЬшЬЬр

БЬ^иЭДш^ш'Ь ц^ттр/ш.'и'ЬЬр}! цп1{шпр|1 ч^шиЛциЪ шиш11£шЪ|1 Ьш}у11ш1| шшЬЬш[ипцп1р]шЪ

иЪИГИЧФР

ЬрЬииЪ - 1997

министерство СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РА АРМЯНСКАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ РЕЖУЩИХ АППАРАТОВ УБОРОЧНЫХ МАШИН И КОСИЛОК

Специальность: Е.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства н машины

На правах рукописи

Кандидат технических паук ТАРВЕРДЯН АРЩАЛУЙС ПОГОСОВИЧ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

Ереван - 1997

Работа выполнена в Армянской сельскохозяйственной академии

Официальные оппошпы: доктор технических наук, академик

Академии сельскохозяйственных наук РА ХАЧАТРЯН А.Ц.

доктор технических наук, академик Академии сельскохозяйственных наук РФ, заслуженный деятель науки и техники ДОЛГОВ И.А.

доктор технических наук, профессор МАКАРЯН Л.М.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Министерств промышленности РА

Заццгга диссертации состот-ся " £3 " 1997г.

в /2 ■- часов на заседании специализированного совета 033 при Армянской сельскохозяйственной академии по защите диссертаций па соискание ученой степени доктора технических наук по специальности Е.20.01 по адресу: 375009, г. Ереван-9, ул. Теряна, 74.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

*

Автореферат разослан " £2 " ЯмЗ&рЯ_1997г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор АрмСХА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В земледельческой механике наряду со многими проблемами особое место отводится дальнейшему развитию теории и созданию совершенных высокопроизводительных и энергосберегающих режущих аппаратов уборочных машин и косилок.

На применяемых в настоящее время зерноуборочных комбайнах и косилках устанавливаются, преимущественно, режущие аппараты сегментно-пальцевого типа с возвратно-поступательным движением рабочего органа, реже -ротационные и роторные.

Аппаратам сегментно-пальцевого типа присущ ряд недостатков, которые приводят к большим энергетическим затратам и снижают нх производительность и эксплуатационную надежность.

Более перспективными являются режущие аппараты ротационного типа, однако они обеспечивают чистое резание тонкостебельных злаковых и трав при весьма больших скоростях рабочего органа (50-100 м/с), что накладывает ограничения на увеличение производительности аппаратов и отрицательно сказывается на их эксплуатационной надежности.

Попытки улучшить технико-эксплуатационные показатели существующих режущих аппаратов путем дальнейшего совершенствования их конструкций дают возможность лишь частично решить задачу. Поэтому назрела необходимость в дальнейшем развитии теории и разработке принципиально новых конструкций режущих аппаратов и их рабочих органов.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является вскрытие реальной сущности взаимодействия режущего элемента я перерезаемого материала, позволяющего разработать универсальную теорию процесса резания лезвием и научные основы создания совершенных режущих аппаратов уборочных машин различного назначения.

Поставленная цель достигнута путем решения следующих задач:

- систематизация вопросов теории режущих аппаратов различного назначения, дальнейшее ее развитие и разработка основ нх единения с целью универсализации,

- разработка специальной методики и измерительной аппаратуры, уточнения а определения анатомо-морфологнческих и фйзико-технологическнх свойстз растений,

- изучение геометрических, кинематических и динамических особенностей ручной косы, установление величин их параметров и их применение при разработке новых режущих аппаратов,

- универсализация теории резания лезвием и па этой основе разработка

динамико-кинематических принципов конструирования режущих аппаратов жатвенных машин,

- разработка принципиальных и технологических схем и конструкций режущих аппаратов: с жесткими и гибкими ножами для косилок; для уборки грубостебельных культур; для работы в среде с сопротивлением и без него; универсального назначения,

- экспериментальная проверка разработанных режущих аппаратов, их сравнительные испытания и обоснование экономической эффективности.

Научная новизна. Установлены ранее неизвестные закономерности в строении стеблей тонко- и толстостебельных культур: распределение узлов, массы, плотности, геометрической жесткости и показателей физико-технологических свойств по высоте стеблей, служащих основой для решения теоретических и прикладных задач создания совершенных конструкций режущих аппаратов.

Внесена существенная поправка в методику испытаний и аппаратуру по изучению физико-технологических свойств стеблей и других органов растений.

Установлено, что наиболее рациональным способом резания является наклонно-косое скользящее, имеющее место при резании лезвием, кинематические и геометрические параметры которого подобны параметрам лезвия ножа ручной косы. При этой разновидности резания затраты энергии на дополнительные деформации, сопутствующие процессу протекания деформации среза, сводятся к минимуму.

На основе решения теоретико-прикладных задач создано семейство реющих аппаратов, реализующих наиболее выгодный, с технологической и энергетической точек зрения, способ резания.

Практическая ценность. В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований были разработаны Специальная методика, приборы и установки определения анатомо-морфологаческих и физико-технологических показателей стеблей растений ^методика и установки исследования процесса резания стеблей; принципы синтеза механизма приводов, теория и методика расчета геометрических и кинематических параметров рабочих органов режущих аппаратов; ротационный режущий аппарат косилки с планетарным приводом для естественных сенокосов и сеяных трав; ротационный режущий аппарат с гибкими ножами для горных косилок; плосковращательно-колебательный режущий аппарат для уборки грубостебельных культур и трав; продольно-роторный режущий аппарат универсального назначения и виброротацнонный режущий аппарат для: осуществления среза в среде с сопротивлением (вода, почва).

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований приняты СКБ НИИМЭСХ Министерства промышленности РА и АОЗТ "Разданмаш", и в настоящее время проводятся работы по конструктивной доработке режущих аппаратов, уточнению технических заданий для составления рабочих проектов и изготовления опытных образцов.

Методика и аппаратура экспериментальных исследований по изучению физико-технологических свойств стеблей приняты и применяются агрофизической лабораторией РИСХОМ.

Закономерности строения и морфологические показатели стеблей в качестве критериев оценки сортов приняты и используются лабораторией биологии развития растений МГУ.

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и обсуждена на объединенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин, эксплуатации машинно-тракторного парка, высшей математики и прикладной механики Армянской сельскохозяйственной академии (1996).

Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Армянского сельскохозяйственного института (1974-1994гг.), Армянской сельскохозяйственной академии (1994-1996гг.), на всесоюзных научных конференциях в МГУ (1984), ВНИИКОМЖе (1981), ВИСХОМе (1985), ГрузСХИ (1989), КазахСХИ (1990), на объединенном заседании Управления науки и образования, Управления новейших технологий и материально-технического обеспечения, Управления механизации сельского хозяйства и технического надзора МСХ Республики Армения (1996), на техническом совете НИИМЭСХ Министерства промышленности РА (1996) и техсовете АОЗТ "Разданмаш" (1996).

Публикации. Содержание диссертации полностью отражено в 27 научных работах, из них 19 - научные статьи, 7 - описания авторских свидетельств и монография.

Объем работы. Общий объем диссертационной работы изложен на ЗЛЗ страницах машинописного текста; работа состоит из предисловия, 6 глав, обших выводов и рекомендаций и содержит 115 иллюстраций, 17 таблиц, 2 приложения, список использованной литературы из 201 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии обоснована актуальность темы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе работы излагается критический анализ состояния проблемы, обосновываются цель и задачи исследований, установлены основные пробелы, допущенные при разработке режущих аппаратов жатвенных машин.

Недостаточная достоверность известных' величин анатомо-морфологнческих и физико-технологических показателей стеблей, в первую очередь, объясняется несовершенством методики и измерительной техники, применяемых в машиностроении, без учета особенностей строения образцов из органов растений.

Возникновение теории резания лезвием и ее дальнейшее развитие срязано с именем академика. В.П.Горячкина. В своем классическом труде "Земледельческая механика" Горячыш впервые приманил законы механики к анализу технологических процессов сельскохозяйственной техники. Роль В.П.Горячкина и его последователей: В.А.Желиговского, Г.И.Бремера, Т.И.Егоровой, Н.Е.Резяика, Е.С.Босого и др. - особенно велика в разработке теории и конструировании жатвенных машин. По многим аспект»! теории и практики разработки уборочных, машин решение ряда задач доведено до логического завершения,'однако по некоторым вопросам все еще имеются пробелы.

Основными недостатками, нашедшими место в работах но изучению процесса резания стеблей сельскохозяйственных растений лезвием, являются неполный учет фнзико-мехаяическнх свойств и реального строения стеблей при их моделирования, почта полное отсутствие работ по совместному изучению возможных видов ц разновидностей -резания лезвием. Следует также отмстить полное отсутствие данных, о процессе резания стеблей растений в среде с сопротивлением (вода, почва).

Таким образом, назрела необходимость в основательном изучении особенностей строения и. свойств стеблей растений; в раскрытии реальной сущности-и дальнейшем развитии теории взаимодействия лезвия и перерезаемого материала и установлении''наивыгоднейшего способа резания; в разработке вопросов резания лезвием, в среде с сопротивлением и создании на этой основе совершенных режущих аппаратов уборочных машин.

Вторая глава посвяшена установлешпо особенностей строения и свойств стеблей тонко- н толстостебельных культур.

Изучению рассматриваемых вопросов предшествовала разработка специальной методики и измерительной аппаратуры. Предложен способ и фотоэлектрическое устройство для определения площадей сечений стеблей и

их моментов с высокой точностью и производительностью. В основе действия устройства заложен принцип оценки изменения светового потока при наличии и отсутствии исследуемого объекта.

Разработан универсальный прибор для испытания стеблей на растяжение и кручение. В отличие от существующих, предлагаемый прибор дает воз^охагость проводить испытания стеблей злаковых как на растяжение, так и на кручение, а способы крепления образцов и измерения деформаций -практически исключить повреждения в зажимах и значительно повысить точность опытов.

Закрепление образцов в захватах при испытаниях на растяжение производится приспособлением,- выполненным в виде гильзы, которая заливается быстрозатзердепающнм материалом, предотвращающим выскальзывание образца н его повреждение.

Измеритель деформации образца представляют собой жестко соединенную с кронштейном штатива оптическую систему из двух спаренных измерительных микроскопов.

При морфологических исследованиях изучалось распределение длины растений, стеблей и междоузлий, толщина узловых диафрагм, диаметры междоузлий и узлов.

Установлено, что внутри сорта мегщу длинам стеблей и диаметрами узлоз существует очень, сильная прямолинейная корреляция. Диаметры всех узлов ' для данного растения-можно принять равными (допущенная ошибка не превышает ошибки опыта), т.е. принять этот показатель за морфологический признак для единичного растешш. Существующая :ке очень сильная корреляция между длиной стебля и диаметром узла позволяет, несмотря на значительную изменчивость длины стебля н диаметра узла внутри сорта, считать га отношения внутри сорта -практячеош постоянными, т.е..принять его за морфологический признак сорта.

При анатомических исследованиях изучались изменения площадей поперечных сечений стеблей и моментов пнерцнй но высоте растений в процессе роста. Площади сечепий узлов и листовых подукех примерно в 3-4 раза больше площадей примыкающих сечений междоузлий.

Установлено, что волнообразное строение контура поперечного сечеши склерсихимного цилиндра и его изменение вдоль междоузлий обепечивают исключительно целесообразное сочетание я распределение жесткости и гибкости по высоте стеблей при ¡га."более рациональном распслоггшт тканей в их сечениях.

По гиатсмо-морфологаческим особенностям строения табачного растения получены следующие результаты.

Площадь древесины, обусловливающая ;:<еспсость стебля» в переводе на

удельную изменяется несколько своеобразно: удельная площадь интенсивно уменьшается от комля до первого узла; с выходом листьев удельная площадь уменьшается почти линейно. Изменения моментов инерций сечений в местах черешков и между узлами отличаются друг от друга.

При изучении физико-технологических свойств стеблей получены следующие результаты.

Установлены закономерности распределения массы и плотности материала по высоте растений злаковых.

В противоположность известным положениям, согласно которым при растяжении стеблей злаковых, вплоть до разрушения образца, имеет место только упругая деформация, нашими исследованиями установлено, что наряду с упругой деформацией имеет место и пластическое удлинение.

По высоте растений показатели прочности уменьшаются, а показатели пластичности, наоборот, увеличиваются. Для нижних междоузлий предел пропорциональности стпц=445 МПа, предел прочности о^ббМПа, модуль

упругости £ = 8.51 -104 МПа, относительное упругое удлинение е)а=0.53 %, относительное о статочное" удлинение ев-0.03 %.

По высоте стебля по мере перехода от одного междоузлия к другому доля относительного пластического удлинения постепенно возрастает: для первого междоузлия £^=18, а для верхнего Испытания стеблей злаковых

на кручение показали, --.го в начальной стадии погружения образцов между углом закручивания и крутящим моментом существует прямолинейная связь. Затем угол закручивания резко увеличивается, что приводит к нарушению этой связи.

Разрушение образца происходит, главным образом, под воздействием касательных напряжений, действующих в их продольных сечениях (трещины разрушений направлены вдоль волокон).

При кручении образцов из стеблей злаковых имеет место непрерывное нарастание деформации под постоянной нагрузкой. Величина момента, при которой наблюдается это явление, составляет 60-80 % от значения момента, соответствующего пределу пропорциональности.

■ • • Таблица 1

Наименование культуры

Предал пропорциональности ст ., МПа

• предел рроч-юсти о , МПа

Модуль упругости Е, хЮ4 МПа

Упругая деформация

V *10'3

Пластическая деформация Е„, хЮ-5

Сорго

Кукуруза

Подсолнечник

Табак

Конопля

420 + 11 365 ±8 354 ±3 345 ± 10 338 ±1Т

435 ±12 336 +10 38а±10 365 ±12. 355 ± 12

6.1 4,8 5.5 6.3 6.1

6.8 7.5

6.4

5.5 5.4

5.1 5.5

4.2 3.8 4.2

Весьма важными являются данные по показателям механических свойств изучаемых толстостебельных культур на высоте 200-300 мм от комля (таблица 1).

Результаты полученных данных позволяют построить структурную и конструкционную модели тонко- и толстостебельных растений, что весьма важно для разработки научных основ проектирования режущих аппаратов уборочных машин.

В третьей глазе изложена экспериментальная оценка способов резания стеблей растений.

В существующих режущих аппаратах уборочных машин и сенокосилок реализованы нормальный, наклонный и скользящий принципы резания.

В научной литературе эти принципы освещены достаточно глубоко и выявлены области их применения и знерготехнологаческие возможности.

Попытки усовершенствовать существующие и создать, новые высокопроизводительные и энергосберегающие режущие аппараты на этих принципах резаппя за последние годы не увенчались успехом.

Наши исследования позволили установить принципиальное отличие и явные преимущества способа резания ручной косой по сравнению с применяемыми в существующих режущих аппаратах. Это открыло широкие возможности применения кинематических и геометрических особенностей ручной косы при создании новых, более совершенных режущих аппаратов.

Для изучения движения ножа косы в вертикальной н горизонтальной плоскостях применялась синхронная скоростная киносъемка.

Установлено, что в процессе Кошешш скорость косы (скорость средней точки режущей кромки)'изменяется незначительно, и се можно принт, равной в среднем 6.4-6.5 м/с. Коэффициент скольжения, е 'меняется как по длине режущей кромки, так и в процессе кошешш. Так, если в начале рабочего хода коэффициент скольжения у основания пожа равен 1.9, в середине - 3.0 и у кончика - 9.0, то з конце рабочего хода в тех же точках он равен 3.2, 6.5 и 14.5.

В результате обработан экспериментальных данных было установлено, что из всех видов и разновидностей резания наиболее выгодным, с технолого-энергетической точки Зрения, является наклошю-коссе Скользящее, имеющее место при косьбе ручной косой, что позволяет произвести чистый срез при малых скоростях (около 6 м/с).

Энергетические и кинематические параметры были исследованы на лабораторном стенде, нож которого имитировал движение ручной косы. В процессе эксперименте» углы установки были изменены в следующих пределах: угол между режущей кромкой и держателем ножа (ползун маятника) ¡3=30-160°; угол между режущей кромкой н плоскостью касания маятника

¡3 =6-90° и угол наклона пластаны ножа отаоскгельно горизонтальной плоскости а от -40° до + 60°, (знак "+" относится к положению ножа лезвием вверх).

За указанными пределами углов нарушается процесс среза, происходит излом стеблей.

Наименьшие значения усилия и работы резания получаются при (5=8-15° и (3=75-95°. При этих значениях углов и р процесс резания на установке идентичен процессу резания при косьбе косой.

Величины углов {3, и (3 оказывают влияние на критическую скорость резания

V . При возрастании р от 30° до 90° У^ уменьшается, а при возрастании от 90° до 160°, наоборот, увеличивается примерно в 4 раза (рисД). На величину

V большое влияние оказывает и угол наклона лезвия а. Наименьшее значение У^ получается при а=18-22°, когда режущая кромка направлена вверх.

ЕП ЛИ —ЗамА/ шяома лс уг/гур

— Замы по углу [ряСзп^).

ЕШ ~ ¿амы с^оезег па углу А.

^ ^^ - Замл> с/зезсг по уг-яц Рас. 1. Зависимость критической скорости резания У^ от утяов р н

Зависимость усилия резания от угла а и скорости графически представлен . на рис.2. Анализ данных графика показывает, что увеличение угла наклона-ножа как в положительную, так и в отрицательную сторону вызывает увеличение усилия. Наименьшие значения усилия резания Р получаются в интервале а= 10-30°. Для каждого конкретного значения скорости Р . соответствуют

определенные значения а. Так, при скоростях до 10 м/с ?та имеет место при а= 15-22°, а при У=10-16 м/с - в интервале а=22-28°.

К -ьо .го о

V?«/«

Рис. 2. Графики зависимостей усилия резания Р от V и а.

Сравнение результатов лабораторных опытов по изучению процесса резания на экспериментальной установке, имитирующей движение косы, и резания режущими парами сешентно-пальцевого аппарата показывает, что в первом случае величины работы и среднего усилия резания примерно в два раза меньше (наибольшие усилия отличаются почти в три раза). Такая значительная разница обусловлена существенными отличиями в геометрии лезвий, в величинах скоростей резания и, что плавное, в принципах резания.

При срезе стеблей на экспериментальной установке (наклонно-косое скользящее резание) энергия затрачивается только на резание стебля, т.к. цельность его в поперечном направлении не нарушается.

Иная картина наблюдается при резании в режущих парах. Анализ материалов, полученных по результатам синхронной с осциллотрафированнем скоростной киносъемки, показывает, что процессу резания в режущих парах предшествует поперечное сжатие, сплющивание и уплотнение стеблей, на которое затрачивается примерно 20-25 % энергии, необходимой на весь процесс.

Изложенный научный материал показывает, что в основе создания совершенных режущих аппаратов может быть положен принцип работы ручной косы.

Четвертая глава работы охватывает вопросы теории взаимодействия лезвия и стеблей.

Несмотря на многочисленные и разносторонние исследования, физическая сущность процесса резания сельскохозяйственных материалов раскрыта еще не в полной мере. Именно поэтому причины некоторых явлений, имеющих место в процессе резания с/х материалов, остаются невыясненными. Процесс протекания деформации среза и напряженно-деформированное состояние не изучены и, следовательно, не выявлены причины, приводящие к уменьшению энергетических показателей при скользящем резании.

В настоящем разделе делается попытка дать наиболее точное описание напряженно-деформированного состояния в зоне разреза и .установить связь между напряжениями и показателями процесса резания.

В основе решения поставленной задачи положена модель тела с вырезом, который под воздействием внешних сил превращается в вынужденно--развивающуюся трещину.

Процесс срезания условно можно разделить на две стадии: первая -образование выреза (трещины), вторая - вынужденное распространение трещины. •

Кончик трещины под воздействием внешней нагрузки является местом наибольшей концентрации напряжений н исходной точкой дальнейшего разрушения (резания). Поэтому исследование напряженного состояния у кончика трещины приобретает важное значение.

Физическая сущность процесса протекания деформации в зоне разреза наиболее точно описывается асимптотическим представлением напряженного состояния.

Принимая во внимание концепции о распределении напряжений вблизи кончика разреза (трещины), определим коэффициент интенсивности (К) общепринятым в строительной механике методом сечений.

Учитывая, что в процессе резания глубина выреза увеличивается з

зависимости от времени по закону 1 = 1, ще V^ - скорость резания, и

определив числовые коэффициенты полинома аналитическими выражениями Сроули и Гросса, для краевых вырезов получаем: для толстосгебельных культур

К = a/j{l.9P - 0.20 - ¡O31+4.68 • 10612 ~ 4.81 ■ 10913 + 3.68 • I0I2t4) i

для тонкостебельных культур и трав

K=afl(l.99-1.64-l(ft+2992■ I(ft2 - 24627 ■ l(f L3 +15065.6 ■ JO1214), где су - номинальное напряжение в разрезаемом материале.

. Имея величины коэффициента интенсивности по известным уравнениям

Снеддона или Виллиамса-Ирвина, характеризующим поле напряжений у кончика трещины, получаем напряжения для трех известных типов деформаций (отрывная, скольжение поверхностей в противоположных направлениях и антиплоская):

где У - полином, учитывающий конечности поперечных размеров срезаемого материала (определяется экспериментально); с, т и т - заданные внешние нагрузки, действующие в контакте взаимодействия лезвия и поверхностей разреза (о - по направлению оси У, т^ - по оси X, а тг - по оси Т)\ а -условный предел текучести (ось Ъ совмещена с линией разреза, а У - с осью стебля).

При скользящем резании стебель подвергается одновременно всем трем видам деформаций. При осуществлении процесса резания решающую роль играет наибольшее главное напряжение, раскрывающее разрез

СТ1 = Щ-1 ~ V1 +Ш1 + :С05(з + т)

(1)

где фт - угол трения срезаемого материала о поверхность ножа; а - угол заточки ножа; Ес=т /т^ является аналогом коэффициента скольжения; у -определяется из выражения

.Л,

С05\}/

св5 а

Принимая tg фт=0.31, ос=18° и учитывая, что У = —7=т, °ут ~ 0-9спр

(для тонкостебельных злаковых су=400 МПа, а для тонкостебельных культур сг =350 МПа), полгучим:

108 МПа (2)

Величина К (критическое значение коэффициента интенсивности)

определяется экспериментально в зависимости от НА {А - диаметр стебля).

. Из выражений (1) и (2) следует, что ст, в основном зависит от £с и У^, однако определяющим является ес, оптимальное значение которого находится в интервале 4.0-14.0. Ранее экспериментально было установлено, что оптимальным является £=6.0-12.0.

Важнейшим условием осуществления резания сельскохозяйственных культур и трав с наименьшими энергозатратами является совпадение плоскости пластаны ножа с главной площадкой.

Рис. 3. Схема с указанием углов ориентации главной площадки и "траектории" глазных площадок при различных значениях с (! - е=*0; 2 - £-8.0; 3 - £=¡6.0; 4- £¿=6.86).

СЦ 02 ^ §5 ЦБ 0,7 0й

В таблице 2 приведены расчетные значения углов между нормалью к главной площадке и осями координат: а - с осью X, Р - с осью У, у - с осью Ъ (рис. 3). Значения указанных углов определены в зависимости от отношения НА при различных значениях е .

Таблица 2

| Ид. « | Э Г а Т а 3 7

ес=0 ес=8.0 £=16.0

0.1 18*10' 71*50' 90* 83*40' 14*20' 77*30' 86*10' 25*50' 64*40'

0.2 22*50' 67*10' 90* 80*40' 17*10' 75*40' 87*20' 30*50' 59*20'

0.3 43*10' 46*50' 90* 79*50' 20*40' 72*10' 88*10' 34*40' 55*20'

0.4 50*40' 39*20' 90* 77*40' 23*30' 70*20' 88*50' 38*30' 51*30'

0.5 55-10' 33*50' 90* 76*30' 25*40' 68*30' 89*20* 41*40' 48*10'

0.6 60*30' 29*30' 90* 76*10* 27*10' 67*00' 89*30' 44*10' 45*40'

0.7 61*40' 28*20' 90* 75*50* 28*20' 66*20' 89*50' 45*50' 44*00'

При значениях ес =6.5-7.5 график зависимости становится прямой линией (4 на рис. 3), т.е. главные плошадки в процессе резания совпадают с одной и тон же плоскостью, которая с горизонтальной плоскостью составляет в среднем 22-23°. Именно эта значения угла наклона плоскости лезвия (а) следует считать оптимальными с энергетической точки зрения. Экспериментальное оптимальное значение утла наклона плоскости лезвия ножа несколько больше (25-28°), что, по-видимому, обусловлено прогибами стеблей, имеющими место при воздействии ножа.

С целью выянления характера местных деформаций в зоне среза стеблей и определения энергетических затрат на дополнительные, сопутствующие срезу, деформации, решена задача местной устойчивости.

Согласно экспериментальным данным, деформации стебля, вплоть до его разрушения, остаются упругими и носят резко выраженный местный характер: длина сплющиваемого участка и стебля - несопоставимые величины. Последнее обстоятельство позволяет принять, что условия закрепления стебля не играют определяющей роли, и величины изгибающего момента и поперечной силы остаются постоянными вдоль малой длины выделенного участка.

' Полная потенциальная энергия (П) деформации стебля (трубы-оболочки) %цет равна

П = (3)

ще Пр = \ Н(ЛГхех + ЛГ,е, + ЛГ^ргМ* -потенциальная энергия растяжения и сжатая продольных волокон;

п- 'ф-№к>^-яЧхл -4)] '-V"

потенциальная ¿Пррщя ¿из£%§а ¿контура течения от сплющивания,

обусловленного давлением продольных волокон друг на друга"

,гф1—¿X .

<з 0 ах

потендиальная энергия изгиба стебля; N и - компоненты погонных равнодействующих нормальных н касательных сил; и - компонеты деформации средней поверхности оболочки; Кх, К^ и К - компоненты изменения кривизны и относительного угла закручивания средней поверхности; Е, v - упругие характеристики материала стебля; г, ф и х -цилиндрические координаты; Мх=К, - продольная сила, действующая в кольцевых сечениях торцов сплющиваемого участка; II - радиальное перемещение.

Связь между нормальными, касательными усилиями и деформациями выражается в виде

^х = тцИ^), К = т^к^Х (4)

а между моментами и кривизнами:

- —]—7rU,+vtfJ, М = —т-ТЛа:ш+УХ_),

х 12(/-v ]> » 12(l-v )K ф . '

м =

£5

(5)

Выразив изменения кривизны через компоненты перемещений, будем iMerb:

К

* ~ г2 ' f2 > 'V7" f2

(6)

ч> г -

Подставляя значения приведенных величин, пренебрегая производными Vv aV

от V второй степени

.. 2 > , 2 \ах ai? у

как малыми величинами, и учитывая, что в

нейтральном слое удлинение и укорочение волокон равны нулю для потенциальной энергии деформации системы получим:

3V ду)

где и, V и и - компоненты перемещений (круговое, радиальное и угловое) точек, лежащих в плоскости поперечного сечения стебля на окружности, описанной его средним радиусом (г).

Исходя из формы деформированной поверхности стебля, функдни доя компонентов перемещений представим в виде:

У(*,Ф) = у9аа\х, о)(х,ф) = у; «их*, (у;=©), (8)

где х = 2зг / /.

Учитывая, что при изгибе стеблей деформации характеризуются большими величинами, следуя Ляву, получим:

ди,

Т"*«/

дх

в в

(г + У^СОЛ^СО^ф - ~ 5/я2фСйЙ./

(9)

где В, О - жесткости при растяжении (сжатии) и изгибе.

При срезе стебля длина изгибающего участка достаточно мала, форма сплющивания по всей длине выделенного участка остается постоянной. Тогда, опуская члены уравнения, характеризующие работу, затрачиваемую на изгиб самого стебля,, используя (8) и (9), для-потепщгальной энергии получим:

\

фу)

р

В"

(10)

24(]~V2) о г

где е =•Я/ц; р = ; 5-■тшшава сгйбля.

Для определения кршического напряжения, при котором стебель все еще может сохранять положение устойчивого равновесия, при наличии сплющивания из условия минимума потенциальной энергии деформации получаем:

V +У

ф ф

' 2Л г г

1--г аю ф

I р5

Л? 2 . , 24з 2

+ у -г зш2о --г

9 рЬ 5

( л

г 2

Е ф

V Р

/

(И)

Решение (11) проведено по вариационному методу Бубнова-Галеркияа: 2ер-г

2-

4зъ с

• 5Ш2Ц>,

2г 2щз-г

2-

{Лр 2г2

•2сс»2ф.

(12)

(П)

Подставляя значения V н © в (10) и проводя интегрирование, после

ряда преобразований окончательно получим:

К

Я ---

Р

г + •

2(2вр-г)

е р-0.5г

(14)

Л/ =

^-Лор/г2] ^-Лбр/г2] Согласно теореме Лагранжа, выражение изгибающего момента будет. ,к£5

А*-А

4ерг~ 2г

4-Л&р/г2

р2

1 а

4 р;

2(4 - ^ЗЪр/г" )г / р + - 2г / р)

4-438р/г2

(15)

В момент сплющивания контура сечения значение кривизны определится выражением:

V

К Р

(¿8 - + <?ег(г + -УТз)

Значение критического момента определяем из (15), приняв р=р<р.

Результаты расчетов показывают, что на осуществление местных деформаций (сплющивание цилиндра стебля) расходуется около 25 % от общих энергетических затрат, необходимых для среза. Расхождение с экспериментальными данными не превышает 5-7 %.

Величина критической скорости чистого среза неразрывно связана с устойчивостью стебля в целом, поэтому решается задача о формах устойчивости стебля при воздействии на него режущего элемента.

В простейшем случае, когда величины :хесткоста стебля во всех главных плоскостях равны, дифференциальные уравнения равновесия выделенного элемента стебля (ркс. 4), выраженные через безразмерные параметры, будут:

а4 г

, -М0

<13г ? й2у

ВС с!Е

с?2 ¿3У

м

- . 7 с! Ж ■>

¿г

(16)

где У 51 2 - искомые безразмерные функции, зависящие только от независимого переменного х; У п 2 связаны с динамическими прогибами у

п 2 с помощью зыражешш обозначения У = ле и = ; со -

безразмерная частота; о = -—р-; I - координата приложения нагрузки

(лезвия); Е1 - жесткость стебля при изгибе; с= у - независимое переменное; М0 и Рг - безразмерные момент и сила:

Мб = М / Е1, р2 = Р/2 / ¿7, = Л/, / гЕ1.

? € * я

V ^ , Кг ^

Рис. 4. Схема сил, действ}ющнх на элемент скбля при скольшисм срехх-

2й

Граничные условия задачи следующие:

¿У с!1

при ^=0 имеем Y=Z=0,

Д ля участка стебля, где £=1,

4

й3У

-Мп

4

= 0;

с12г

и

йУ

-М,

й22

0

й32

+ М0

= 0.,

в2 У

= 0

Принимая У = Е> ^ = , получим:

Л. =

В„ =

1

п{п ~ 1){п - 2){п - 3)

-М0Вп_]{п - 1){п -2){п - 3) --р 2А„_2{п-2){п-3)+а>2Ап„4 '-МоА^п-^п-Мп-З)--£2Вп_2(п-2)(п-3)+а>2Вп„4

(17)

(18)

йУ

В заделке Y=:Z=Q;-=-= 0, поэтому А„=В =А,=В,=0.

1

Четыре коэффициента А^, В,, А, и В3 должны быть выбраны так, чтобы вьшолнялись граничные условия на участке £,=1.

Поскольку коэффициенты А2, В,, А3 и В3 входят во все перечисленные выражения линейно, то уравнения относительно этих коэффициентов можно представить в виде:

аиА2 +а12А3 + а13В2 + а14В4 = О, а21А2+а22А3+а23В2+а24В4 =0,

>

°31Л2 + а32Л3 + аЗЗВ2 + а34В4=°> (19)

а41А2 + а42А3 +а43В2 + а44В4 -0.

Если при заранее, фиксированных значениях параметров М0, р и со

принять А,= 1, А3=В,=В,=0, то по рекуррентным формулам (13) можно найти А4, В^, А5, В5 ... . Далее суммированием до некоторого п (например, п=30) находим значения производных от функции У н Ъ при <Е,=1.

В итоге четырехкратного повторения цнкла нхтоднм все коэффициенты системы (19).

Условием существования ненулевых решений для У я 2. является:

au aí2 a13 g14

a21 a22 a23 a2i

Ü3\ a32 a33 a34

°41 a42 a43 a44

= О

(20)

Таким образом, анализ устойчивости сводится к определению таких соотношений между М0, Р и о, при которых выполняется условие (20), т.е. в первую очередь, следует зафиксировать параметры р , 0о, затем - М0. Давая со разные значения, подбираем такие значения <3П и Ма, при которых определитель О обращается в нуль. Затем, меняя Ма и С?0, находим о. Таким образом, устанавливается зависимость и от М0 н при фиксированном р.

На рис. 5 приведены графики зависимостей <а=1ХМ0) при различных значениях р.

СО

а 5

При. £

......-- I 0 |

1 1 ~—-

f 1

--—^——

1 Y

О 0,5 f,0 {,5 2,0 По

Рис. 5. Графики зависимостей безразмерных частоты (ео) и манат (MJ при различных 'значениях р.

В логику программы-нетрудно ввести признаки, но которым можно судить о поведении частоты в зависимости от Мц и р. Если частота обращается в нуль, это значит, что найдена новая форма равновесия. Если частоты двух

первых форм смыкаются, значит, найдена форма движения.

Результаты поиска критических значений параметров р и М( представлены на ряс. 6.

/3

48 О/;

О

Рис. б. Графах зависимости безразмерных силы ф) и момента ОЩ).

Примечательно, что с возрастанием момента критическая сила возрастает, что обусловлено увеличением жесткости стебля крутящим моментом при изгибе. Изложенным следует объяснить низкие значения критических скоростей среза при бесиодпорном наклонно-косом скользящем резашш стеблей растений, в частности, при кошении ручной косой, вследствие возникновения продольной силы и крутящего момента.

В пятой главе изложены принципы создания режущих аппаратов, описание их конструтсций и кинематический анализ.

Ротацваипиё режущий аппарат с планетарным приводом. Установленные дннамнко-кинематические параметры работы ручной косы позволили нам создать новый ротационный режущий аппарат, имитирующий процесс кошения ручной косой.

Предлагаемый ротационный режущий аппарат (рис. 7) содержит планетарный механизм, у которого вертикальная ось центрального колеса 1 жестко соединена с неподвижным брусом, а корпус 2, являющийся одновременно водилом планетарного механизма и ротором аппарата, получает вращение через клнноременную передачу от среднеоборотного гидромотора (не показан). На осях сателлитов 3 закреплены режущие элементы 4, выполненные в виде кос; прямолинейная продольная ось основания косы в положении, перпендикулярном к направлению движения режущего аппарата, проходит через цетпры сателлита и центрального колеса.

При вращении ротора сателлиты планетарного механизма катятся по боковой поверхности центрального колеса и вращаются вокрут своих осей.

f

-

Р\

0,2 С]4 0,6 ОД 10 12 № Яо

Рис. 7. Сгс.ш к аналитической хииематнке механизма ггрнволз. ножа режутего

аппарат.

Держатели ножей закреплены на сателлитах, поэтому ножы совершают сложное вращательное движение в рабочей зоне, повторяя особенности движения ручной косы.

Задачи кинематического анализа механизма привоза заключались в определении скорости точек режушей кромки ножа (V); составляющих скорости (V" и V1) и их соотношения; оптимального соотношения угловой (о) и поступательной (V,,) скоростей ротора.

Для скорости (Ук) произвольной точки (К) режущей кромки ножа и ее составляющих получены выражения:

( 4 „ К,,У1По,[ + ,1 + V./ I

К - ^ -V-^ к, ;—-

V ЯнсояйЛ + 1ксо52(й^ )

(

Ян лиа, ( + 1к зт2(а 1! + Уп/

Ук = У^л^са^-агсщ-

Яясо$&;С + 1ксол2сй1(

коэффициент скольжения в данной точке будет равен

е =-= /р

у

Л о л/лсо,Г + Л. 5/л2(о, Г + У„/ / - агс/£ —--'-а-1-—

^^ \ Идсоха»^ +

где - длина водила; /к - расстояние рассматриваемой точки от оси сателлита.

Условием для определения соотношения и>, и V является неоставление нескошенной площади н минимум площади повторного прохода ножами. Это соотношение имеет вид:

<„ =-8_

21нсош

где /н - длина, а - >тол установки кожа в горизонтальной плоскости.

Лабораторные и полевые испытания предложенного режущего аппарата позволили усгановнть.что его нож в процессе рабочего хода повторяет особенности движения ручной косы и обеспечивает чистый бесподпорный срез тонкостебельных алаковьрс и трав при малых (примерно 5 раз меньше) критических скоростях « в 1.5-2 раза меньших энергозатратах.

Ротшшовиыв режущий .аппарат с гибкими дожами. Известно, что ни один из существующих режущих аппаратов не способен качественно выполнять кошение трав на склонах из-за невозможности копирования неровностей рельефа поля и' обхода твердых включений (камни, пни и др.) в стеблевое без недопустимых деформаций и поломок.

С целью устранения этого недостатка-нами разработан и предложен ротационный режущий аппарат с гибкими ножами. В этом аппарате, содержащем вертикальный вал, закрепленные на его нижнем конце вращающиеся в горизонтальной плоскости гибкие режущие элементы - ножи -с переменной по длине-жесткостью выполнены в виде отдельных пластин-сегментов переменной высоты, перекрывающих друг друга и жестко закрепленных на полом гибком стержне, внутри которого соосно в винтовых пазах установлен гибкий шток эллиптического сечения, связянвый с ним упругой связью.

Жесткость стержня и ппока в горизонтальной плоскости и закономерность ее изменения по длине-установлена при условии соблюдения идентичности изменения коэффициента скольжения по длине режущей кромки предложенного аппарата и ручной косы.

Искривленная оптимальная форма режущей кромки, следовательно, и показатели скользящего резания, остаются неизменными при всех частотах врашеиия вала, превышающих их наименьшее значение. Изменение частоты вращения за пределами наименьшего значения вызывает и пропорциональное

изменение жесткости штока в горизонтальной плоскости путем его поворота вокруг продольной осп. Поворот пггока с эллрптйеркгш поперечным сечением осуществляется непрерывно под воздействием центробейшых сил. Этнм обеспечивается постоянство установленной формы кривизны режущей кромки при различных частотах вращения вала.

Гибкие ножи предложенного реасущего аппарата, повторяя кинематические особенности ножа ручной косы, осуществляют срез тонкостебельных злаковых и трав при низких критических скоростах (в 5-6 раз меньших, чем у существующих ротационных аппаратов) в при минимальных, в 1.5-2 раза меньших, энергозатратах в условиях неровности поля н наличия твердых включений в стеблестое.

Плос£авращатеяъво-£алебатези>вый реуцущзй яппзрзт. Согласно задачам исследований, в основе синтеза кинематической схемы режущего аппарата был положен принцип рабспы ручной косы, обеспечивающий чистый срез стеблей грубослебельных культур и трав при менышх, чем у существующих аппаратов, скоростях и энергозатратах.

В процессе исследований было разработано несколько вариантов кинематических схем механизмов привода, обеспечивающих движение ножа по заданным параметрам. Из них самым простым в техническом исполнении является пятизвенный механизм, включающий пару цилиндрических шестерен.

Кинематическая схема режущего аппарата представлена на рис.8.

Рве. 8. Кяпемгтчеасяя схемя ¡тоскоеращякпьво-каяебяуглтого режущего

лппзрт.

2б

В результате кинематического анализа получено ¿лразсеннЬ для скорости произвольной точки режущей кромки лезвия ножа

— - ойЗЛУ РА

где «а - угловая скорость ведущего звена; а - расстояние точки А от шарнира В (на рис.8); Я - радиус шестерен (длина ведущего звена); рл - радиус-вектор точки А относительно полюса О,.

Через ц и v обозначены выражения

* 1 1 v = ф - — ± arceos , — +—arceos

2 \l + sin2(ot 2

2R2{] + sin2 at) J-- v '

b2

coscat Rsin2cút

ц = ;±-------===

l + sin caí . o?

где Ь - длина звена ВС (рис.8).

Подробный анализ полученных величин скоростей и траекторий точек лезвия ножа и их сравнение с аналогичными параметрами ручной косы показывает, что поставленная цель достигнута: лезвие разработанного режущего аппарата достаточно точно копирует работу ручной косы.

С целью подтверждения достоверности и уточнения результатов теоретических исследований, а также установления ряда закономерностей, сопутствующих процессу резания и не поддающихся аналитической обработке, были проведены экспериментальные исследования. В программу экспериментальных исследований входили:

- разработка лабораторной установки, имитирующей работу Макетного образца ревущего аппарата и позволяющей исследовать комплекс Й^ра^етров будущей жатвенной машины и суть процесса резания,

- вскрытие реальной сущности процесса резания, устаИоЪлейНе закономерностей изменения энерготехнологических параметров ре&ущего аппарата с целью их последующей оптимизации,

- проверка соответствия работы режущего аппарата по заданным технико-эксплуатационным, технологическим, энергетическим и экономическим показателям, ' .

- окончательное уточнение режимных и конструктивных параметров рабочих органов жатвенных машин целевого назначения.

Результаты экспериментальных исследований по изучению процесса резания стеблей табака показывают, что энергетические затраты на процесс резания предложенным режущим аппаратом по сравнению с сегментно-пальцевым меньше в 1.5-1.8 раза. Это является результатом движения ножа по траектории ручной косы.

Продольпо-роторный режущая аппарат . С эксплуатационной и экономической точек зрения целесообразно разработку режущих аппаратов вести по пути универсализации. В задачи настоящих исследований входило не только устранение недостатков, присущих современным режущим аппаратам сегментно-пальцевого. типа, но и создание аппаратов, универсального назначения для тонко- и толстостебельных культур.

Предложенный режущий аппарат (рис.9) содержит режущую пару, выполнещ1ую в виде цилиндрического ножа 1 и эквидистантно огибающего его по наружному диаметру цилиндрического протнворежущего элемента 2 с двумя (или несколькими) пальцеобразными выступами на наружной поверхности. Нож 1 жестко закреплен на роторе 3, который вмонтирован в корпус 4.

1 з

Противорежущий элемент 2 смонтирован на держателе 5 с помощью опорно-регулирующих шайб 6 и болтов 7. Толщина шайбы 6 и натяжение болта 7 выбираются таким образом, чтобы противорежущий элемент 2, плотно прилегая к держателю 5,- имел возможность свободно перемещаться по его внутренней цилиндрической поверхности.

С помошью шайбы 6 и болта 7 регулируется также зазор в режущей паре

между наружной поверхностью ножа 1 и внутренней поверхностью протаворежушего элемента 5. '

При поступательном движении аппарата (по стрелке В на рис.9) направляющая 9 и противорежущий элемент 5 подают стебли через просвет между ними в зону резания. Нож 1 перемещает стебли к режущей кромке протнворежущего элемента 2. Давление в режущей паре постепенно возрастает, режущие кромки ножа и протнворежущего элемента внедряются в прилегающие к ним стебли (или в стебель - для толстостебельных культур). Под воздействием сил, возникающих в режущей паре, противорежущий элемент, преодолевая силы упругости пружин 8, перемешается по внутренней цилиндрической поверхности держателя 5, совершая движение по винтовой линии.

Таким образом, во время работы режущего аппарата противорежущий элемент совершает сложное колебательное движение без дополнительного привода, обеспечивая скользящее резание стеблей, что позволяет почти вдвое уменьшить суммарное усилие резания, следовательно, энергоемкость режущего аппарата.

Частота вращения ротора (со) определяется по скорости среза (V ), а скорость перемещения (У>) уборочной машины (агрегата) - по оптимальному соотношению скоростей вращательного и поступательного перемещений. Для предложенного аппарата это соотношение имеет вид:

са1и

V <—— а~ 2к'

гае 1п - длина режущей кромки ножа, со - частота вращения ротора.

Испытания лабораторного образца предложенного аппарата показали, что резание стеблей тонкостебельных злаковых (пучок из 10 стеблей пшеницы) и толстостебельных культур (единичный стебель табака) происходит с наименьшими энергозатратами при скоростях резания ^=17.0-30.0 м/с.

Основное достоинство предложенного аппарата заключается в возможности увеличения скорости резания по сравнению с существующим сегментно-пальцевым режущим аппаратом в несколько десятков раз (до 60-80 м/с), практически исключив возникновение знакопеременных нагрузок, в значительной мере снизить энергетические затраты на процесс резания и повысить эксплуатационную надежность аппарата и машин.

Ввбрзввоввыв ротациоввый режущвй ацваррт. В разделе анализа конструкций существующих режущих аппаратов была установлена их неспособность работать в среде с сопротивлением (почва, вода и др.).

Проведенные нами многочисленные лабораторные эксперименты по изучению процесса резания стеблей тонкостебельных и грубостебельных

культур и трав в водной среде и в поверхностном слое почвы позволили установить, что для работы в плотной среде целесообразно использовать вибрационные рабочие органы с малыми переносными скоростями. Режущие аппараты с ножами, совершающими указанное сложное движение, наиболее полно удовлетворяют предъявляемым требованиям, и очевидно, что они должны быть плосковращательного типа.

В результате теоретических и экспериментальных исследований и поисков нами разработан, испытан и предложен ротационный режущий аппарат для осуществления резания органов растений в водной и почвенной средах при наименьших энергозатратах и повышенной эксплуатационной надежности.

Режущий аппарат (рис. 10) работает следующим образом. Входному сквозному валу 1 редуктора ЦВП передается вращательное движение (от ВОМ трактора или непосредственно от гидромотора) с частотой вращения <а. Полый вал 7 ЦВП, частота вращения которого в п раз меньше, чем со, передает вращательное движение ротору-кожуху 8. Сквозной вал редуктора (или вертикальный вал 1) и ротор-кожух вращаются в противоположных направлениях.

Рис. 10. Кинематическая схема вибрационного режущего аппарата (продольный

разрез ротора).

Дисковый кулачок 4, насаженный на вал 1, вращается с частотой а и приводит в движение держатель ножа, следовательно, и нож, в радиальном направлении, или в продольном - для режущей кромки, в результате чего нож режущего аппарата совершает колебательное движение в продольном направлении с частотой -

яо + ш//,

где п - число полюсов на кулачке 4,1 - передаточное число ЦВП.

Вращательное движение через зубчатые колеса 5 и 18 передается эксцентриковому кулачку 16. Частота относительного вращательного движения эксцентрикового кулачка равна кю, а суммарная (Лш + ш//), где к -передаточное число зацепления зубчатых колес 5 и 18. Чтобы получить круговые или эллиптические колебания с замкнутым контуром, необходимо соблюдать условие п=к.

Таким образом, нож предложенного режущего аппарата совершает плоскоколебательное движение в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а сам аппарат представляет собой кинематический вибровозбудитель. Путем выбора амплитуд продольных и поперечных колебаний можно регулировать форму ее траектории - эллиптическую или круговую.

Лабораторные опыты показали, что оптимальным, с энергетической и динамической точек зрения, является колебание ножа по эллиптической траектории, притом амплитуда поперечных колебаний несколько больше, чем у продольных, большая ось эллипса составляет с режущей кромкой угол около 30°.

Одним из основных показателей предложенного режущего аппарата является соотношение скоростей внедрения ножа вследствие его вибрации и вращения ротора. Оптимальным следует считать такое соотношение, при котором скорость вибрационного внедрения равна линейной скорости ножа.

Проекции скоростей точек режущей кромки (только колебательное движение) определяются формулами:

Ух = £?( ¿¡па - гздгаууат) -

-Ах{созр - пш + о / /)аи( ло + ш/ /)/,

Уг = А^ко + © / ¿)зт{(ка + о / /)/ + Е] - (21)

+Ах{л& + о / /) 5//1Р^.илуам( пш + ю/ /)/,

да А и Аг - амплитуды продольной и поперечной составляющих колебаний, Ф -угол трения перерезаемого материала о лезвие ножа, у - угол наклона вектора скорости относительно режущей кромки.

71

Для лабораторного образца у=60°, ^срО-31, а=25°, р=5°, £ = ~, п=к==4,

\=2Ъ, а = 20 с'1,Ах = 0.3 -10'гм,А, = 0.5 • 10"3л.

Подставляя значения этих величин в (21), получим:

Ух = 1.2соМ05(яг) + 2.181,

Чг - 2.1со${4.05ы) -13$.

Испытания лабораторного образна вибрационного режущего аппарата позволили установить, что чистый срез стеблей камыша в вояной среде осуществляется виброножом при энергозатратах в 3-4 раза меньших, чем при невибрирующем ноже. Примерно такое же соотношение энергозатрат сохраняется и при резании стеблей в почвенной среде.

Шестая глава работы посвящена результатам полевых испытании я обоснованию технико-экономической эффективности.

В процессе экспериментов были определены следующие показатели работы режущих аппаратов: энергоемкость, чистота среза и уборки, высота среза, величины отклонений от заданных параметров процесса резания (скорость и сила резания, коэффициент скольжения, кинематический режим - отношение вращательной скорости ножа к поступательной скорости аппарата), производительность агрегата.

Для ротационных режущих аппаратов с планетарным и гибкими ножами в качестве базовой была выбрана косилка КРН-2.1, для плосковрашательно-колебательного - КС-2.6.

Вибрационный режущий аппарат был испытан з двух вар51антах: с вибрацией и без вибрации (в качестве базового).

Результаты сравнительных испытаний таковы.

Режущий аппарат с планетарным приводом по сравнению с базовой косилкой при кошении трав на естественных сенокосах обеспечивает повышение производительности в 1.85 раза и снижение потребной мощности на один метр ширины захвата в 1.8 раза. Эти данные для аппарата с гибкими яожами соответственно составляют 1.4 и 1.85.

Плосковращательно-колебательный режущий аппарат по сравнению с эазовым" комбайном при уборке табака обеспечивает повышение троизводительноспг в 1.5 раза и снижение потребной мощности в 1.45 раза.

Вибрационный режущий аппарат при уборке камыша в водной среде по :равнению с вариантом без вибрации обеспечивает повышение фоизводительности в 1.8 раза и снижению потребной мощности на один метр пирины захвата в 2 раза.

Результаты полевых испытаний и ¿елняко-зкономические показатели шработанных режущих аппаратов дают основание для рекомендации к ;недрению в производство.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные экспериментально-теоретические исследования по. проблеме разработки технико-технологических основ создания режущих аппаратов уборочных машин и косилок позволяют прийти к следующим выводам:

1. Научный анализ основ создания рабочих органов жатвенных машин показывают, что они далеко не совершенны из-за методических и принципиальных в постановке аналитических задач недостатков.

Серьезным пробелом следует считать отсутствие применения принципа работы ручной косы, обладающей замечательным качеством энергосбережения и способностью осуществлять чистый срез при низких скоростях.

2. В результате применения разработанных методик, приборов и установок выявлены ранее неизвестные закономерности строения стеблей растений, имеющие важное значение при решении проблемы разработки научных основ создания совершенных режущих аппаратов.

3. При крученнн стебли пшеницы и ржи разрушаются под воздействием касательных напряжений, действующих в продольных сечениях образца, а стебли ячменя и овса - под воздействием главных напряжений, действующих в наклонных относительно продольной оси сечениях. При повышенной влажности (более 25-30 %) разрушение стеблей всех злаковых происходит под воздействием только касательных напряжений, действующих в продольных сечениях.

Из исследованных толстостебельных культур наиболее высокие показатели по пределу прочности на высоте среза имеет сорго - 435±12 МПа, далее - кукуруза - 386±10МПа, подсолнечник - 380±1 ОМПа, табак - 368±12МПа и конопля - 355±13МПа.

4. Установлено, что из всех существующих разновидностей бесподпорного резания только наклонно-косое скользящее резание с параметрами процесса косьбы ручной косой дает возможность максимально снизить величины критической скорости, усилия и работы резания. По сравнению с нормальным срезом величины критической скорости уменьшаются: нижи ей минимальной в 2 раза и верхней минимальной в 4-5 раз; усилие и работа резания уменьшаются в 2.5-3 раза.

5. Форма кромки лезвия, установка ножа и характер движения косы таковы, что при рабочем ходе всегда имеет место скользящий срез стеблей. Криволинейная форма режущей кромки и закономерность изменения коэффициента скольжения по ее длине, сточки зрения энергетических затрат, обеспечиваеткосе все признаки "идеального", по определению В.П.Горячкина, вращающегося ножа бесподпорного резания. Характер среза стеблей наклонно-

косой скользящий. Оптимальная величина угла наклона лезвия 20-25°, угла косого среза (угол между кромкой лезвия и продольной осью стебля) - 80-85°.

6. Уточнена методика экспериментального определения среднего усилия резани» в режущих парах. Установлено, что его величина в среднем в 1.5 раза больше приведенных в литературе. При наклонно-косом скользящем резании тоикостебельных злаковых величины усилия и работы по сравнению с резанием в режущих парах примерно вдвое меньше. Срез в первом случае получается чистым, а втором - сплющенным.

7. Между величинами критической скорости резания, момента и инерции поперечного сечения и пределами прочности на растяжение и кручение стеблей существует обратная линейная корреляция, а между усилием, работой, моментами площадей и пределом прочности на изгиб - прямая линейная корреляция. Очень сильная корреляция существует между отношением работы и момента инерции с пределом прочности на растяжение. Для всех тонкостебельных злаковых произведение этого отношения и предела прочности - почти постоянная величина.

8. Разработана методика решения задачи внедрения лезв}!Я о разрезаемый материал, в основе которой положена модель тела с вырезом, который под воздействием внешних сил превращается в вынужденно-развивающуюся трещину. Получена функциональная зависимость главного, раскрызаюшего вырез (трещину), напряжения от коэффициента скольжения (е.) и скорости резания (У^)- При этом интенсивный рост главного напряжения имеет место при значениях 5.0<е.<16.0 .

Установлена аналитическая зависимость углов ориентации главной площадки от степени внедрения кромки лезвия и коэффициента скольжения (ес): при значениях ес=6.0-8.0 огибающая элементарных главных площадок становится' плоской, которая с горизонтальной плоскостью составляет угол 22-28°, что достаточно точно совпадает с углом наклона плоскости ножа, осуществляющего срез стеблей с наименьшими энергозатратами, подтвержденными практикой.

9. Получены аналитические выражения, позволяющие с достаточной точностью определить величины дополнительных энергозатрат на сплющивание стебля при срезе в режущих парах. Эти затраты составляют 25-30 % от общих, что свидетельствует о неоспоримом преимуществе беспоцпорного чистого среза.

Аналитически доказано и экспериментально подтверждено, что при наклонно-косом скользящем резании за счетвозникновения крутящего момети и продольной силы увеличивается устойчивость стебля, приводящая к значительному уменьшению критической скорости бесподпорного чистого среза.

10. На основе полученных показателей строения и свойств тонко- и толстостебельных культур и анализа дшшмико-кинематнческих параметров ручной косы и результатов аналитических исследований процесса резания стеблей предложены принципы разработки режущих аппаратов уборочных машин н косилок, реализующие наиболее выгодные, с энергетической точки зрения, способы резания.

11. Предложен режущий аппарат с планетарным приводом, лезвие ножа которого при рабочем ходе, полностью имитируя процесс резания ручной косой, осуществляет чистый бесподпорный срез тонкостебельных культур и

трав при малых значениях критической скорости (Уср >6.0 м / с, что в 5-6 раз меньше, чем у существующих ротационных режущих аппаратов) и в 1.5-2.0 раза меньших энергозатратах.'Анализом установлены оптимальные значения коэффициента скольжения (е=6-10).

12. Для горных сенокосов с неровным рельефом, засоренных твердыми включениям!!, разработан и предложен режущий аппарат ротационного типа с гибкими ножами к механизмом .стабилизации кривизны режущей кромки лезвия. Аппарат позволяет при разных режимах и условиях работы сохранять заданную (по аналогии ручной косы) закономерность изменения коэффициента скольжения по длине режущей кромки н плавно, без повреждений и поломок обойти твердые препятствия в стеблестое.

13. С учетом анатомо-морфологического строения и физико-технологических свойств толстостебельных культур разработан и предложен режущий аппарат плосковращателыю-колебательного типа, нож которого в зоне резания, повторяя особенности движения ножа ручной косы, осуществляет скользящее резание грубостебеяышх культур при малых энергозатратах (в 1.5-2.0 раза меньших, чем у существующих аппаратов) и в 4-5 раз меньших критических скоростях чистого резания.

14. В поисках устранения главного недостатка сегментно-пальцевого (возвратно-поступательного) режущего аппарата - возникновение больших знакопеременных нагрузок. - и его универсализации разработан и предложен продольно-роторный аппарат с колеблющимся противорезом скользящего резания без автономного привода, позволяющим снизить моментаую нагрузку на приводном валу примерно в 1.8 раза но сравнению с неподвижным противорезом.

15. Установлена полная непригодность существующих режущих аппаратов для работы в плотной среде (почва, вода и т.п.) из-за чрезмерно высоких энергозатрат. Нами разработан и предложен ротационный режущий аппарат с виброножом. Аппарат позволяет, используя виброэффект вредрения ножа в перерезаемый материал, без значительных дополнительных, энергозатрат на

движение в плотной среде осуществить полный технологический цикл среза. Установлено, что вибронояс по сравнению с невибрирующим снижает энергозатраты на чистый срез стеблей камыша в водной среде примерно в 3-4 раза.

16. Разработанные аппараты в комплексе решают проблему уборки тонко-и толстостебельных растений с высокими технологическими и энергосберегающими показателями. Реализуя сравнительно выгодные способы резания стеблей, разработанные режущие аппараты снижают энергозатраты по сравнению с производственными в среднем а 1.5-2 раза повышают производительность приблизительно со столько хсе раз.

Основное содержание диссертация опубликовано в следующих печатных работах:

1. Тарвердян А.П., Александрии В.В. Изучение механических свойств стеблей злаковых при растяжении //Сб.научн. трудов АрмСХМ, вып. XXXVIII/Ереван, 1981.-5с.

2. Тарвердян А.П., Александр:»! В.В. Исследование прочностных я деформационных свойств стеблей злаковых при кручепии //Сб. паут, трудов АрмСХИ, вып.ХХХУШ/ Ереван, 1981. - 5с.

3.Тарвердян А.П., Александрии В.В. Распределение узлов по высоте стеблей злаковых //Доклады ВАСХНИЛ. №1. М„ 1976. - 4с.

4. Тарвердян А.П., Александрии В.В. О распределении массы стеблей злаковых // Механизация и элетрификаиия сод.с.-х. №6. М., 1976. -Зс.

5. Тарвердян А.П., Алексаидрян В.В. Определение показателей "стройности" стеблей злаковых//Доклады ВАСХНИЛ. N210. 1976. -Зс.

6. Тарвердян А.П., Косемян Э.С. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния рабочих органов с.-х. машин //Известия с.-х. наук:. Госагропром АрмССР. N98. Ереван, 1986. - 11 с.

7.Тарвердян А.П., Александрян В.В. Аналитическая кинематика ротационного режушего аппарата скользящего среза//Сб. иаучн. трудов АрмСХИ, вып. XXXIII/ Ереван, 1978. - 7с.

8. Тарвердян А.П., Артемян Р.Н. Изыскание и обоснование параметров лезвия ножа режушего аппарата дая уборки грубостебельных

культур //Материалы докладов 2-ой республ. конф. аспирантов АрмССР/ Ереван, 1987. -Зс.

9. Тарвердян А.П., Назинян A.C. Разработка режущего аппарата роторной косилки // Материалы докладов Республ. конф./Ереван, 1989. - 4с.'

10. Тарвердян А.П. Режущий аппарат скользящего резания для уборки грубостебельных культур: Материалы всесоюзн. научи, конф. //Вопросы механ. с.-х./Алма-Ата, 1990. - 5с.

П. Тарвердян А.П., Артемян Р.Н. Кинематическое обоснование плоскоколебательного режущего аппарата //Агропром. Наука и производство. №10. Ереван, 1991. - 9с.

12. Тарвердян А.П., Артемян Р.Н. Аналитическая кинематика плоскоколебательного аппарата дтя уборки грубостебельных культур //Сб. научи, трудов АрмСХИ. Вопросы технолог, надежности объектов с.-х. техники. Вып.50/Ереван, 1991.-8с.

13. Тарвердян А.П./Артемян Р.Н. Определение динамических параметров плоско-колебательного режущего аппарата //Агропром. Наука н производство. №6-7/ Ереван, 1992. 11с.

14. Тарвердян А.П. Технико-технологическое обоснование конструкшш продольно-роторного режущего аппарата //Научные труды АрмСХА. Технические пауки. Вып.1/ Ереван, 1996. -10с.

15. Тарвердян АП. Выбор и обоснование конструкции ротационного режущего аппарата с гибкими ножами //Научные труды АрмСХА. Технические науки. Вып. 1/ Ереван, 1996. -11 с.

16. Тарвердян А.П. Изучение напряженно-деформированного состояния при скользящем чистом срезе стеблей //Агронаука/ МСХ РА. №9-10. Ереван, 1996. - 8с.

17. Тарвердян А.П. Изаскание и обоснование конструкций вибрационного режущего аппарата ротационной косилки //Научные труды АрмСХА. Технические науки. Вьш.2/Ереван, 1996. -9с.

18. Тарвердян А.П. Обоснование оптимальных параметров ротационного режущего аппарата с планетарным приводом //Научные труды АрмСХА. Технические науки. Вьш.2/ Ереван, 1996. -9с.

19. Тарвердян АЛ., Минасян P.C. Исследование местной

устойчивости стеблей растений при срезе //Научные труды АрмСХА. Технические науки. Вып.2/ Ереван, 1996. -9с.

20. Тарвердян А. П., Александрян В.В. Фотоэлектрические устройства для измерения площадей плоских фигур и их моментов. - Авторское свидетельство СССР, №514188, G 01 В 11/28, Бюл. №18, 1976.

21. Тарвердян А.П., Александрян В.В. Ротационный режупши аппарат. - Авт.св.СССР, №546322, А 01 D 55/18, Бюл. №6, 1977.

22. Тарвердян А.П. Ротационный режуттшй аппарат. - Авт.св.СССР. №971157, А Ol D 55/18, Бюл. №41, 1982.

23. Тарвердян А.П., Артемян Р.Н. Привод режущего аппарата. -Авт.сп. СССР, №1436918, А 01 D 34/73, Бюл. №42,' 1988.

24. Тарвердян А.П. Режущий аппарат. - Авт.св.СССР, №1514269, А 01 D 34/42, Бюл. №38, 1989.

25. Тарвердян А.П. Ротационный режушии аппарат. - Авт.св.СССР. №1644778, А 01 D 34/63, Бюл. №16, 1991.

26. Тарвердян А.П. Режушии механизм ротационной косилки. -Патент РА, №183, Бюл. №2, 1996.

27. Тарвердян А.П. Технико-технологические основы разработки режущих аппаратов уборочных машпн и косилок. -Ереван: Луйс. 1996.-118с.

fôuipijhprj.jui'b Up2u>l»4u ^nrinuji PbPPlKlM.UPh UbPbbUbbPh Ь4 <Ъ2ГОЪЬР]Ь 4SPni U^UPUSlibPfi

usbaauiib Бь^ъьчи-Бь^ъпипяФичиъ <мгпьъръьрс

liuibbuifununipjm.'üii bi}fipi|ujö t pbppmhuji{ujp¡i líhphbmbhpji b hliS.{i¿\ibpfi ршрлр ujpuimqpnriuiljui'ü b tbhpqiifuíuujmimljuib Ijuipnq uiujuipuiinbhp}i umhrçi)-tiuib ü líjuiljiímli h{itniuitu\ir}fiplihp}i inLdiltiibp:

Unmgfi'u qiJuntil шйфпф^шд t uijq ninrinipjujiíp l)uiinujpi}uiö mj)ummmlip-libpfi pblituijuimuiljuib i]hpinLÖiiLpjni.\i[i: T>2i|ujô ЬЪ umiug pululó hfiiTüiufub-ijfiptthpji [пиЫшЪр bi}{ipi|ujô iî{i"u-. uijdií l]uimuipi]uiö hhmuiqnmni.pjni.b'Ubpni.ií tnhï] qmrnô pbpnipjniblihp'ti nt ршурппгшГйЬро: 4.}iiruuii]npi}mô t hfiinimjubi}-Ph [in-ôtfuib bnp linmbynitTbbpJi m'Uhpmdbjinmpjni'bp:

bpljpnpq qiftinuî phpi^mô b\i qjnii]iijmbmhuiul]ui'b ЪрршулгриЬ b Ijngin-Ьшитшупцш/и П2шЦшрп1)иЬр[1 ni. ¡umnujprajuhpíi yiuiniVUbpJi 1iuijul]})\)m.iî uí\i-hujjm ^amniytJuJÙpuijti'U uinujliS'üuihiuwlinLpjnt.'Ubhpli riL ор^Ъш^шфш-ррЛЪЬ-pp, npnbp Ijuiplmp b2uibuil¡íupjni.li ш.ЪЬЪ Ljuipilujb {ubqfipbhptu.ii: Pbpijmô hb tiuib ynqntAihhpti ш'ишштТ^шЦшЪ b linp^rqnqtiuiljujli hhmmmiirniLpjnLbbbpji, fibjttjhu ЪшЬ 5'fiL(fiLjw-Lnbfulin[nqjimljm'li hiuinljnLpjriLbbhpf! npr>2ilaib bnp hqui-Ъш^ЬЬр}! b uuipphpfi bljuipuiqpnLpjnLlibhpp:

bppnpq q[|uiuil pbptjuiö hb yn;qnL'ubbp}i Ijinpiluib фпрлЬш^шЪ ЬЬшшцп-mmpjiubbbpfi шргишЛфЬЬрр: Uuihifuibijmö t ynqnt/blibpfi Ijuipiluib luiíhbuib-iqujuimui|np m 2"ihunlbm hrjmbmljp' ишЬпи1т| 2hq-pbp Ijuipni-iíp, npp qpijuiö t íjmpnTi uiujujpuiinbbpfi hjidpniil:

Snppnpq qifmiLtí pbpijuid bb ^трйшЬ qnpöpbpwyji шЬиш^шЪ hhmuiqn-uuu.pjut'li mpqjnibplibpp:<C.mummimJmô b Ь^сГишфф^шд bb Ijuipiimb Ъцшитш-ijiip b milhbui2iuhuii|bm Ьг)шЬш1)"и ^рш^шЬшуЬпц umjpfi Ьр^рш^шфш^шЪ b Ijfibbuiumfiljuiljui'h и)шрш11ЬшрЬрр: flpn2ijbi bb Ijinpiiuib шшррЬр bquibujlibbpfib iiVTjhljyiirj qb^npiluiyfriubbpfi tbbpqhuijilj угнушЬ^ЬЬрр: Uujhiîiubi{hi b npii2-tjb[ hb Ijmpnq uia¡uipujinbhp}i pui'tiijnpujljui'b opquiblibpfi ^mljiluib hfiiTUmlimb Ь[ш1]Ьтш]{1\1 inijjmibbpn:

<jVbqbpnpq qinijup bi}fipi|iuö t Ijmpiiuib bujiuuinuii]np U 2nhiiííjbw Ьцш-timlj'bbpb ^рш^шЪшуЬш]' uuujiibmmpuijfib tibfumltjiqilm] b £ljnLb qiubmljbh-pnij nnmuiyfmli l}inpnt| miqwpmuibhpfi (}i¡nmh'b3.}i£'hbph), hiupp итдшшЪ^пц-iqinirîijnq qujbuiljml ^тртщ илцшршиф (l^m-hujuimijynTinLb pnijuhpfi ljuipilmb Ьшйшр), bpljuijliuiljuib-nnmujpuijh'h (пОф^Ьрииц) b i|fippmy{inb Ijmpnri идцш-pujinbbpji (Ьфт lîfigiut^uijpnul шгЦтш) ) и^црпЛрш^Ъ b l)umni.yiluiöpiuj}ib ufuh^bbpjî ^"'ii^w^D. \^l^шpшqpnLp^пL"bЪbp{lb b ljf)"ubm}iljuiliuiljuib i)bpinL-ômpjriL'liljhpfi'b:

4.bybpnpi> qi}unuî pbpi|mô ЬЪ liuipnTi uiiqtupuiinbhp{i фпр^Ъш^шЬ

buni2bhpfj 1}Ш2ШШ])1Ь фпрЯшр1;пиГиЬр,Ь ujpqjnLUp'bbp'b ni inb}ub}iljm-inbinb-

Umb\¡uj{iinump)uiU ^Ьрг1111^ рЬрЦшй bb hbinmqninnipinLblihp}! mpqjnibp-îihpfi i}pm шр1]ш0 faijpiuipiJyntpjnLlibhpti шпш2шр^т.р]шЬЬЬрс:

^--- "