Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и обоснование направления исследования
1.1 Анализ условий и особенностей работы лесных дисковых орудий О
1.2 Анализ конструкторско-исследовательской работы по навесным устройствам лесных и сельскохозяйственных тракторов :1
1.3 Обоснование направления исследования Ю
2 Методика теоретического исследования 4
2.1 Обоснование выбора схемы приспособления к навесному устройству трактора 4
2.2 Общая методика теоретического исследования »5
2.3 Методика математического моделирования процесса функционирования исследуемого приспособления
2.3.1 Моделирование навесного устройства трактора с приспособлением и культиватора »7
2.3.2 Моделирование движения гусеничного трактора на вырубке О
2.3.3 Моделирование поверхности почвы вырубки и ее взаимодействия с рабочими органами культиватора и гусеницами трактора 4
2.3.4 Особенности решения системы дифференциальных уравнений 8
2.3.5 Алгоритм и программная реализация модели
2.4 Основные входные и выходные параметры при моделировании
Выводы 85
3 Результаты теоретического исследования 87
3.1 Исследование влияния параметров приспособления на эффективность работы почвообрабатывающего агрегата 17
3.1.1 Влияние высоты установки приспособления относительно оси подвеса орудия \1
Влияние величины отдаления культиватора от навесного устройства трактора Ю
3.2 Исследование влияния на функционирование приспособления условий работы почвообрабатывающего агрегата на лесных объектах » 1
3.3 Исследование эффективности приспособления при преодолении рабочими органами культиватора пней »5
3.4 Результаты оптимизации основных рабочих и конструктивных параметров приспособления 98
Выводы 04
4 Результаты экспериментального исследования 06
4.1 Программа и методика экспериментального исследования 06
4.1.1 Объекты программа экспериментов 06
4.1.2 Оборудование, приспособления и измерительная аппаратура 07
4.1.3 Общая методика проведения и обработки результатов экспериментов 16
4.1.4 Методика проведения экспериментов в лабораторных условиях 18
4.1.5 Методика проведения экспериментов в полевых условиях 22
4.2 Анализ результатов экспериментов по оценке влияния приспособления на качество обработки почвы лесными дисковыми культиваторами 27
4.2.1 Анализ результатов экспериментов при движении дисковых батарей на участках до встречи с препятствиями 27
4.2.2 Анализ результатов экспериментов для встречи дисковых батарей с препятствиями 32
4.2.3 Анализ результатов экспериментов при выглублении и движения дисковых батарей вверх по препятствию 36
4.2.4 Анализ результатов экспериментов при возвращении дисковых батарей
в исходное положение 38
4.3 Анализ результатов экспериментов по оценке влияния приспособления
на тяговое сопротивление дискового орудия и нагрузки на звенья навесного
устройства трактора 143
Выводы 146
5 Результаты опытно-производственной проверки и оценю эффективности приспособления 149
5.1 Описание конструкции опытного образца приспособления к навесным устройствам тракторов 149
5.2 Методика проведения опытно-производственной проверки 55
5.3 Анализ результатов опытно-производственной проверки 157
5.4 Экономическая эффективность результатов исследования 64
5.5 Рекомендации по использованию результатов работы и перспективам
дальнейшей разработки темы исследования 67
Выводы 68
Заключение 70
Список литературы
- Анализ конструкторско-исследовательской работы по навесным устройствам лесных и сельскохозяйственных тракторов
- Моделирование навесного устройства трактора с приспособлением и культиватора
- Исследование влияния на функционирование приспособления условий работы почвообрабатывающего агрегата на лесных объектах »
- Методика проведения экспериментов в полевых условиях
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Приоритетными объектами при лесо-восстановительных работах являются нераскорчеванные вырубки, гари, овраги, гари, балки, рекультивируемые земли и т.п., занимающие значительную часть лесного фонда РФ. Такие лесные объекты характеризуются наличием большого количества препятствий в виде различных корней, кустарников валежников, камней и валунов, выходных скальных пород, для них также характерны неровные рельефы с высокой задернелостью и неоднородностью почвы.
В таких тяжелых условиях основные трудозатраты приходятся на уход за почвой в молодых лесонасаждениях, для чего широко используются лесные навесные культиваторы и бороны с дисковыми рабочими органами. Диски обладают рядом преимуществ перед другими типами рабочих органов. Благодаря благоприятной сферической форме и оснащенные простейшими пружинными амортизаторами и предохранителями, они способны перекатываться сверху или обходить сбоку разнородные неперерезаемые препятствия, а также достаточно хорошо подрезают сорную растительность и рыхлят почву.
В то же время лесные дисковые орудия являются навесными и не имеют опорных элементов (колес, полозьев, пят и т. п.), что в условиях работы на вырубках затрудняет использование известных способов заглубления рабочих органов. Кроме этого сферические дисковые рабочие органы имеют слабую заглубляемость и недостаточную устойчивость хода на заданной глубине обработки, что ведет к существенному снижению качества обработки почвы. Традиционное применение грузов для улучшения заглубляемости дисковых рабочих органов утяжеляет такие орудия и ведет к увеличению динамических нагрузок на диски и орудие в целом.
Другим недостатком, снижающим эффективность лесных дисковых орудий, является конструктивная невозможность обеспечения в необходимых пределах стандартными навесными устройствами тракторов перекосов в поперечно-вертикальной плоскости рамам лесных орудий относительно рам тракторов. Это приводит к неудовлетворительному копированию дисками неровностей поверхности обрабатываемой почвы, характерных для лесных объектов и неизбежным огрехам в работе и высокой повреждаемости лесных культур. Отмеченные недостатки вынуждают механизаторов часто проводить повторные проходы обрабатываемых рядков, что ведет к неоправданному увеличению времени, трудозатрат и дополнительному расходу топлива.
Степень разработанности темы. Изучению вопросов совершенствования существующих и разработки новых технологий и конструкций лесных почвообрабатывающих орудий, а также повышения эксплуатационных свойств лесных машин в целом, посвящены работы ученых М.П. Албякова, А.Ф. Алябьева, В.В Ама-лицкого, А.И. Баранова, И.М. Бартенева, В.Н. Винокурова, М.В. Драпалюка, И.М. Зима, Т.Т. Малюгина, П.С. Нартова, В.Р. Карамышева, В.И. Казакова, В.Н. Коршуна, П.И. Попикова, В.И. Посметьева, Л.Н. Прохорова, Л.Т. Свиридова, С.Ф. Фокина
и др. В тоже время в этих работах не нашли своего окончательного решения вопросы повышения качества обработки почвы и снижения динамических нагрузок на дисковые орудия при их работе на вырубках, совершенствование и углубление теории расчета и проектирования навесных устройств тракторов при агрегатировании их с лесными дисковыми орудиями на основе имитационного моделирования.
Схожие вопросы по сельскохозяйственным почвообрабатывающим агрегатам и гидроприводам машин отражены в трудах ученых В.В. Василенко, В.П. Гребнева, Г.Л. Кальбуса, Н.И. Кленина, Л.А. Кондакова, Н.И. Лебедева, А.Б. Лурье, Г.Н. Си-неокова, А.П. Тарасенко, Н.М. Шарова и др. Однако в трудах этих ученых все еще уделено недостаточно внимания решению вопросов, связанных с эффективностью безопорных почвообрабатывающих орудий и, в частности, изучению влияния кинематических параметров и инерционности навесных устройств тракторов на за-глубляемость, регулирование глубины обработки почвы и копирование рабочими органами неровностей обрабатываемой поверхности на вырубках.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности лесных дисковых орудий на вырубках, путем обоснования рабочих параметров и конструкции приспособления к навесным устройствам тракторов.
Задачи исследования:
1) разработать новое техническое решение по оснащению навесных уст
ройств тракторов приспособлением при агрегатировании их с лесными дисковыми
орудиями;
-
разработать математическую модель и выполнить имитационное моделирование рабочего процесса лесного дискового орудия с приспособлением к навесным устройствам тракторов, учитывающих особенности нераскорчеванных вырубок;
-
установить зависимости основных показателей рабочего процесса лесных дисковых орудий на вырубках от кинематических и конструктивных параметров приспособления;
-
обосновать конструкцию приспособления к навесным устройствам тракторов при их агрегатировании с лесными дисковыми орудиями;
-
выполнить экспериментальные исследования, дать оценку эффективности и разработать рекомендации по внедрению приспособления в производство.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются конструкция и рабочий процесс приспособления к навесным устройствам тракторов при агрегатировании их с лесными дисковыми орудиями. Предметом исследования является зависимость показателей эффективности лесных дисковых орудий на вырубках от кинематических и конструктивных параметров приспособления.
Научная новизна результатов работы:
1) разработано новое техническое решение в виде приспособления к навесным устройствам тракторов, отличающегося способностью обеспечить повышение заглубляемости, улучшение копирования обрабатываемой поверхности почвы и снижение нагрузки на рабочие органы лесных дисковых орудий (патенты РФ на
изобретения №№: 2269050, 2542761);
-
разработана математическая модель рабочего процесса лесных дисковых орудий с приспособлением, отличающаяся учетом возмущающих воздействий на ходовую часть трактора и рабочие органы орудия со стороны почвы и препятствий на вырубках;
-
установлены зависимости основных показателей рабочего процесса лесных дисковых орудий от кинематических и конструктивных параметров приспособления, отличающиеся учетом влияния рельефа обрабатываемой поверхности, характеристик почв и препятствий на вырубках;
-
обоснована конструкция приспособления, отличающаяся способностью агрегатирования тракторов с лесными дисковыми орудиями с целью повышения их эффективности.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость состоит в установлении влияния местоположения мгновенного центра вращения и кинематических параметров званьем навесного устройства трактора на заглубляе-мость дисковых рабочих органов и на этой основе – способе регулирования глубины обработки почвы дисковых орудий с помощью приспособления. Практическая значимость состоит в разработке конструкции приспособления к навесным устройствам тракторов, обеспечивающего повышение эффективности лесных дисковых орудий за счет регулирования с рабочего места тракториста глубины обработки их рабочих органов без использования традиционных грузов, а также лучшего копирования обрабатываемой поверхности почвы, снижения рабочего сопротивления и нагрузки на рабочие органы орудия, а также расхода топлива агрегатируемым трактором.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования базировались на законах классической физики, методах теоретической механики, дифференциального и интегрального исчислений, имитационном моделировании, численных методах. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на примере натурных образцов исследуемых лесных дисковых культиваторов на специальном стенде в лабораторных и полевых условиях. Регистрация исследуемых параметров осуществлялась электротензометрическим методом, а также с помощью видеосъемки с покадровым распознаванием и анализом получаемых изображений исследуемых объектов. Обработка результатов проводилась методами математической статистики в режиме реального времени при компьютерной поддержке.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
новое техническое решение по оснащению навесных устройств тракторов приспособлением, обеспечивающим повышение заглубляющей способности рабочих органов дисковых орудий без использования традиционного груза, улучшение копирования и качества обрабатываемой поверхности почвы, снижение рабочего сопротивления орудия и нагрузок на рабочие органы, а также расхода топлива аг-регатируемым трактором;
-
математическая модель рабочего процесса лесных дисковых орудий с при-
способлением, позволяющая исследовать влияние кинематических и конструктивных параметров приспособления, а также параметров препятствий и обрабатываемой поверхности на эффективность почвообрабатывающих агрегатов на вырубках;
-
аналитические зависимости основных показателей рабочего процесса лесных дисковых орудий от кинематических и конструктивных параметров приспособления, позволяющие обосновать и оптимизировать его параметры с учетом возмущающих воздействий на ходовую часть трактора и рабочие органы орудия со стороны почвы и препятствий на вырубках;
-
обоснованная и апробированная в производственных условиях конструкция приспособления, позволяющая повысить эффективность лесных дисковых орудий на вырубках.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности результатов исследования достигается использованием современных методов теории, экспериментального оборудования и приборов, достаточным объемом экспериментального материала, приемлемой сходимостью экспериментальных и теоретических данных, положительными результатами лабораторно-полевых исследований и опытно-производственной проверки опытного образца приспособления к навесным устройствам тракторов в агрегате с лесным дисковым культиватором.
Материалы диссертационной работы были представлены на научных конференциях Воронежского государственного университета имени Г.Ф. Морозо-ва(2010-2015 гг.), Вологодского государственного технического университета (2010-2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Лесной комплекс России: актуальные проблемы и стратегии развития в Воронеже (2015 г.); XVI-я международная научно-техническая интернет-конференция в Брянске «Лес-2015 г.»; на четвертой межрегиональной агропромышленной выставке-демонстрации ООО «ДЕНЬ ВОРОНЕЖСКОГО ПОЛЯ – 2010» (Воронежская область, Хохольский район, 2010 г.).
Результаты диссертационного исследования используются в ОАО «ЦОКБлес-хозмаш», ТОГАУ «Челнавский лесхоз» Тамбовской области, учебно-опытного лесничества ВГЛТУ «УРОЧИЦЕ САВВИКИ», ООО «Доступная робототехника» (г. Воронеж), учебном процессе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ общим объемом 15,1 усл. печ. л. (доля автора – 8.6 усл. печ. л.), включая четыре патента на изобретения, свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В рекомендованных ВАК научных изданиях опубликовано пять статей. Единолично автором опубликованы три статьи.
Структура и объем работы. Включает введение, пять разделов, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 215 страниц, из которых 187 страниц основного текста и 28 страниц приложений. В работе имеются 60 иллюстраций, 15 таблиц и список литературы из 162 наименований.
Анализ конструкторско-исследовательской работы по навесным устройствам лесных и сельскохозяйственных тракторов
Так как склоны и другие подобные неудобия занимают значительные территории в РФ, этим объектам лесовосстановления исследователи уделяют значительное внимание. В работах [39, 97, 102, 103] авторы рассматривают вопросы, связанные с изучением влияния параметров склонов, а также комплектование ЛПА на устойчивость и качество выполнения ими работ. Кроме этого авторы, на основании выполненных ими исследований, предлагают технологические решения, позволяющие уменьшить эрозию почвы, учитывающие мелкоконтурность и значительную кривизну контуров склонов, в значительной степени влияющие на криво линейность гонов и безопасность выполняемых работ.
Многочисленные работы посвящены определению размеров неровностей, встреча с которыми наиболее вероятна. Лесовозными дорогами и исследования поверхности неровности почвы занимались многие ученые Ю.А Добрынин[44], А. В. Жуков [49], С. Г. Ковтун [73], С. Г. Костогрыз [73], Ю. Н. Рыскин [142, 155], В. И. Солдатенко [36], Л. М. Эмайкин [155] и др.
Размеры неровностей почвы, крупных поверхностных корней и частоты встреч с ними ЛПА на вырубках варьируется в широких пределах и на длине 100 м гона они могут составлять в среднем, высота или глубина, см /длина, м (частота): - 5-8/1,5-2,5 (30-50); 8-15/2,0-3,0 (20-30); 15-30/2,0-4,0 (15-25); 30-50/3,0-6,0 (5-Ю) [132].
В работе А.В. Жукова [69], приводится анализ параметров неровностей, которые основаны на собственных исследованиях и литературных источниках. На осно 14 вании рекомендации ученого для расчетов рекомендуется применять параметры неровностей, приведенные в таблице 1.
В работах [43, 49, 69] авторы, на основании анализа собранного ими фактического материала, предлагают определять примерные значения высоты и неровности на вырубках аналитическим путем. Для этого они разработали стереограммы распределения высот 2у0 = 1 ... 13 см и длин неровностей L (L = 0,4 ... 3,2 м), путем обмера реальных волоков. Авторами была установлена достаточно устойчивая зависимость между длиной и высотой неровностей измеренных волоков в виде отношения 2y0IL и которое изменяется в интервале 0,019 ... 0,031.
Для лесных грунтовых дорог и волоков выбор параметров неровностей может быть ориентировочно проведен по данным, установленным по литературным источникам, и данным авторов после обработки профиллограмм микропрофилей с учетом наиболее вероятных воздействий: высоты неровностей 2-4; 4-5; 5-8 см; длины неровностей соответственно 0,9-1,49; 1,1-1,6; 1,5-2,5 [13].
В ряде других работ [83, 88, 125], авторы исследуют влияние и воздействие параметров формы и микропрофиля опорной поверхности от колесного и гусеничного движителей тракторов на характер движения ЛПА. Ими предложено при аналитических исследованиях моделировать, с достаточной степенью адекватности, неровности формы поверхности почвы синусоидой. Более широкое применение нашел аналогичный метод предложенный в работе [120], в которой автор учитывает воздействие синусоидальных по форме возмущающих сил на подвеску трактора, что позволяет нивелировать влияние гусеничного и колесного движителей на неровностях вырубок.
Более значимый интерес при исследовании неровностей волоков представляет легкодеформируемые лесные грунты. При движении трактора по лесосекам, между пнями, испытывает воздействие неровного пути от прикорневых лап и корней. Наблюдения показали, что в этом случае образование колеи лесосечных волокон уже после первых холостых ездок агрегата приобретают типичный волнообразный вид. К тому же указанные гребни создаются на прикорневых лапах крупных пней, на которые наезжает одна из гусениц трактора, тогда как ямки от гусениц образуются между корнями. Авторы обращают внимание, что несмотря на частичное засыпание впадин грунтом от воздействия трелюемой древесины все же сохраняются аналогичные интервалы чередования неровностей колеи [23, 115].
Проведенные для грунтовых проселочных дорог обмеры неровностей доказали, что высота и длина неровностей лежат в тех же пределах, что и у волоков. Значительный интерес представляют исследования неровностей, волоков, проложенных на легко деформируемых лесных грунтах. Установлено, что в этом случае длина неровностей определяется преимущественно расстоянием между деревьями. Неровности формируются корневыми лапами деревьев и средние наиболее часто встречаемые расстояния между ними составляют 3,5-4,5 м [49].
При создании и выращивании высокопродуктивных искусственных насаждений на вырубках, несмотря на различия в естественно-исторических условиях, имеется много сходных технологических операций, обеспечивающих беспрепятственное движение тракторов и машин, к которым на вырубках относятся: расчистка от порубочных остатков, валежника, неликвидной древесины, камней, поросли малоценных лиственных древесных и кустарниковых пород; корчевание пней; вычесывание корней; планировка поверхности почвы; удаление надземной части или разрушение пней и т. д. [22, 100, 115].
Новая технология восстановления дубрав была предложена ВГЛТУ. Она позволяет понизить пень (удаление наземной части), при этом учитывается мощная корневая система дуба и других твердых поров деревьев, наличие каменных включений и неровности почвы возле корня. Однако высота пня от поверхности почвы остаётся до 10 см, даже при тщательном спиливании [2, 16].
В результате лесосечных работ на лесных объектах очень часто остаются пни размером 8 ... 12 см в диаметре и высотой до 20 см от березы, осины, тополя и д.р., в результате чего они становятся препятствием. На вырубках, пней имеются большое количество препятствий в виде крупных корней, кустарников, валунов и камней, порубочных остатков и выходов скальных пород и т.п. [24].
Эффективность лесовосстановительных работ на вырубках в значительной мере также зависит от проходимости ЛІТА в зависимости от числа пней (таблица 1.2). Из данных таблицы видно, что при 600 пнях среднее расстояние между встречающимися пнями составляет 12,5; при 1000 - 7,7; при 1150 - 5,8 м. Очевидно, что при 12,5 м протяженности свободной полосы трактор может успешно заглублять плуг и готовить почву. При длине же полосы между пнями 5-7 м будет происходить лишь хаотичная минерализация почвы [7, 26].
Моделирование навесного устройства трактора с приспособлением и культиватора
Методикой теоретического исследования предусматривалось рассмотрение следующих вопросов: общей методики построения модели дискового орудия на примере лесного дискового культиватора; моделирование разрабатываемой конструкции приспособления, моделирование почвы и процесса взаимодействия с ней дискового рабочего органа; особенностей проведения компьютерного эксперимента; принимаемых исходных данных при формировании математической модели и получаемых результатов при моделировании.
Для удобства был разбит на следующие четыре этапа (рисунок 2.6): I-движение дисковой батареи на участке до встречи с препятствием; Я- момент встречи дисковой батареи с препятствием; III - выглубление дисковой батареи и подъем ее
Очевидно, что на первом участке важно исследовать эффективность приспособления по обеспечению им качественных показателей дискового орудия. При этом основными показателями являются заглубляемость дисковых рабочих органов без использования грузов и стабильность их хода на заданной глубине обработки с учетом всего многообразия технологических свойств обрабатываемой почвы и насыщенности ее растительными включениями на вырубках. В отличие от традиционного ЛПА, в аналогичном ЛПА, но с приспособлением, глубина обработки почвы дисковыми батареями культиватора регулируется не с помощью грузов, а за счет управления трактористом с рабочего места положением МЦВ НУ трактора в продольно-вертикальной плоскости (см. рисунок 2.5, а). Кроме этого, приспособление обеспечивает рабочим органам лучшее копирование рабочими органами обрабатываемой поверхности, а следовательно, и качество обработки почвы. На трех остальных участках движения дисковой батареи на вырубке издавалась эффективность функционирования предлагаемой приспособления, которая должна обеспечить снижение нагрузок на орудие при преодоление его рабочими органами наиболее опасных препятствий из возможных - пней, за счет обеспечиваемых приспособлением перекосов рамы орудия относительно рамы трактора (см. рисунок 2.5, б). Вследствие Конструктивных особенностей пружинные амортизаторы серийного культиватора КЛБ-1,7 не в состоянии полноценно обеспечивать его рабочим органам Преодоление пней на третьем и четвертом этапах их перемещения по препятствию. Неспособность пружинных амортизаторов обеспечивать отклонение стоек с дисковыми батареями на всю высоту препятствия приводит к подъему вверх всего культиватора. При этом невозможность стандартных НУ обеспечивать необходимые перекосы раме орудия ведет к значительным перегрузкам деталей конструкции как орудия, так и НУ трактора. Время в момент встречи с пнем или крупных корнем пружинные амортизаторы вполне эффективно снижают ударные нагрузки, и поэтому для традиционного ЛПА все этапы движения дисковой батареи исследовались наравне ЛПА с предлагаемым приспособлением.
Теоретическое исследование приспособления к НУ трактора проводилось на основе методов классической физики, механики и математического моделирования рабочего процесса исследуемого агрегата. Необходимый и достаточный уровень адекватности реальному процессу обеспечивался благодаря учету в общей модели ее составляющих: динамической модели механизма навески с приспособлением, динамической модели движения трактора, геометрической модели обрабатываемой поверхности с заданным рельефом.
Разработанная модель доведена до имитационного уровня и позволяет проводить компьютерные эксперименты с модельным почвообрабатывающим агрегатом, оснащенным приспособлением к НУ трактора. В процессе теоретического исследования проводилось несколько серий компьютерных экспериментов, в каждой из которых изменялся один из параметров приспособления, поверхности, рабочего процесса. На основании полученного результата в каждом конкретном случае выполнялся анализ и делался вывод о влиянии данного параметра на показатели эффективности исследуемого агрегата [138]. 2.3 Методика математического моделирования процесса функционирования исследуемого приспособления
Моделирование исследуемой системы - НУ трактора, приспособления к нему и культиватора - проводилось в рамках точечно-стержневой модели и базировалось на методах классической механики. Точечно-стержневая модель составляющих механизмов данной системы представляет собой совокупность материальных точек, в которых сосредоточена масса составных частей механизмов, которые могут совершать движение в пространстве по законам динамики. При этом материальные точки соединены между собой невесомыми слабо-растяжимыми стержнями заданной длины. Движение точек в пространстве вызывает растяжение или сжатие стержней, вследствие чего в модели стержни, стремясь сохранить свою длину, оказывают силовое воздействие на материальные точки.
Выбор точечно-стержневой модели обусловлен тем, что звенья НУ и приспособления к нему с точки зрения механики можно рассматривать как слабо растяжимые стержни (тяги), соединенные шарнирно с трактором, промежуточным телом устройства и культиватором. Для унификации модели культиватор также представлен в рамках точечно-стержневой модели (рисунок 2.7). Культиватор представляет собой протяженное в пространстве тело, но его представление в виде совокупности точек и стержней позволяет описывать пространственное вращение тела не искусственным образом, вводя мгновенную ось вращения на каждом шаге интегрирования и исполь-зованием закона динамики вращательного движения, а естественным образом: описанием движения составных частей культиватора (материальных точек) друг относительно друга.
Исследование влияния на функционирование приспособления условий работы почвообрабатывающего агрегата на лесных объектах »
С понижением орудия относительно базового места крепления к НУ трактора (с уменьшением Azn) закономерно увеличивается средняя глубина обработки аоб (рисунок 3.2, а), так как при этом МЦВ находится ниже поверхности почвы, и соответственно увеличивается вертикальная (заглубляющая) составляющая Pz силы тяги трактора (см. рисунок 2.5, а). Как следует из графика (рисунок 3.2, а) интервал регулирования глубины обработки варьируется в достаточно широких пределах от 1,0 до 10,5 см. Однако при понижении орудия увеличивается и неоднородность глубины обработки аа (рисунок 3.2, б). Это объясняется тем, что увеличение дополнительной заглубляющей силы приводит к значительному повышению глубины обработки на выступающих участках поверхности, при сохранении глубины обработки на ровных участках поверхности и впадинах. В то же время обычное НУ в плавающем положении обеспечивает рабочим органам только копирование рельефа и стабильную глубину обработки, но меньшую, чем при использовании предлагаемого приспособления.
Приспособление к НУ обеспечивает незначительный увод батареи в боковом направлении Ьб: не более 3 см вплоть до значительного понижения орудия Azn = -25 см (рисунок 3.2, в). При еще большем понижении орудия (до -40 см) Ьб увеличивается до 4 см, что также является приемлемым значением.
Результаты компьютерных экспериментов показали, что доля огрехов и в обработке почвы незначительно увеличивается с понижением орудия (рисунок 3.2, г). Так, понижение орудия на 20 см (Azn = -20 см) приводит к увеличению и с 0,7 до 1,0 %. Это связано с тем, что с понижением орудия Azn и увеличением угла расположения тяг НУ механическая система становится более инерционной в работе и соответственно менее подвижной и на сложном рельефе хуже выдерживает заданную глубину обработки. Однако выигрыш от увеличения заглубляющей способности при понижении орудия (ориентировочно на 5 %) значительно превышает проигрыш в доле огрехов (0,3-0,7 %).
Смещение МЦВ вниз в результате уменьшения Azn приводит к некоторому возрастанию максимальных нагрузок в тягах НУ (рисунок 3.2, д). При понижении орудия на 30 см (Azn = -20 см) нагрузка в нижних тягах НУ увеличивается с 2,0 до 2,3 кН. Однако учитывая, что нижние тяги имеют многократный запас прочности, уве 91 личение нагрузки на 15 % при агрегатировании культиватора с небольшим рабочим сопротивлением практически не повышает риск его поломок.
Понижение орудия приводит к увеличению мощности агрегатирования (рисунок 3.2, е). При понижении орудия на 30 см потребляемая мощность возрастает незначительно, ориентировочно на 400 Вт (с 3,35 до 3,75 кВт). В данном случае дополнительная мощность объясняется увеличением глубины обработки на 31 %, а так как рабочее сопротивление дискового культиватора КЛБ-1,7 на вырубке относительно незначительно по величине, то и увеличение мощности соответственно невелико.
Обобщая результаты компьютерных экспериментов об оценке влияния Azn на показатели эффективности культиватора, можно сделать следующий вывод. Понижение орудия по отношению к базовому месту крепления НУ на 20 ... 40 см позволяет заметно увеличить глубину обработки почвы (на 31 %). При этом в допустимых пределах остаются неравномерность обработки (менее 2 см), увод батареи в сторону (менее 4 см), доля огрехов (менее 1,7 %), максимальные нагрузки в нижних тягах НУ (менее 2,5 кН), мощность агрегатирования (менее 3,9 кВт).
Отдаление Лхп культиватора от НУ (при одном и том же вертикальном смещении Azn) обеспечивается за счет увеличения длины рычагов приспособления (см. поз. 3 и 4 на рисунок 2.4). С увеличением длины рычагов приспособления повышается способность орудия к более качественному копированию рельеф поверхности, однако при этом увеличиваются нагрузки на рычаги и опасность защемления верхнего рычага при перекосах орудия. Для исследования влияния параметра Ахп на эффективность агрегата проведена серия компьютерных экспериментов, в которой Ахп варьировали на уровнях 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70 см (рисунок 3.3).
При слишком малом отдалении (Лхп менее 20 см) длина рычагов приспособления не позволяет эффективно копировать рельеф поверхности, вследствие чего оказываются неблагоприятно повышены: неравномерность обработки до 1,9 см (рисунок 3.4, б), боковой увод батареи до 3,6 см (рисунок 3.4, в), доля огрехов до 1,7 %. При слишком большом отдалении (Лхп более 50-60 см) существенно снижена глубина обработки до 9,1 см (рисунок 3.4, а) и повышены нагрузки в нижних тягах НУ (рисунок 3.4, д).
Анализируя совокупность данных по влиянию параметра Ахп можно заключить, что оптимальное отдаление Ахп составляет 20 ... 40 см. При этом обеспечивается достаточно высокая глубина обработки (не менее 9,3 ... 9,6 см), достаточно малая неравномерность обработки (около 1,7 см), приемлемый увод батареи в сторону (2,4 ... 3,1 см), малая доля огрехов (1,0 ... 1,2 %), малая нагрузка нижних тяг НУ (около 2,3 кН), достаточно низкая мощность агрегатирования (около 3,7 кВт).
Почвообрабатывающий агрегат на лесных объектах должен сохранять работоспособность в широком диапазоне внешних условий: тип и влажность почвы, тип и плотность препятствий (перерезаемых и неперерезаемых корней, камней, пней), уровень неровностей опорной поверхности. Для проверки влияния неровностей рельефа поверхности проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли характерную высоту неровностей на уровнях высот 0, 10, 20, 30, 34 см (рисунок 3.5). Нн = 0 соответствовала идеально ровной поверхности (рисунок 3.5, а), Нн = 34 см - максимально сложному рельефу, на котором агрегат сохранял кинематическую связность (не разрушался, рисунок 3.4, в).
Методика проведения экспериментов в полевых условиях
Анализ полученных результатов экспериментов, представленных в таблице свидетельствует, что при одинаковой массе обоих сравниваемых культиваторов (625 + 140 = 765 кг) и равных условиях проведения опытов, зафиксированные максимальные значения исследуемых параметров на вырубке и на стенде у опытного образца, в целом не превышают аналогичные значения у серийного образца. Так, при преодолении на стенде одной из дисковых батарей (левой в опытах) опытного образца препятствия высотой 40 см, величины усилий сжатия в верхней Femax и растяжения в нижней левой Fnmax тягах НУ трактора были соответственно на 24 и 26 % меньше, чем у серийного образца, дисковая батарея которого к тому же преодолевала полноценно пень в 2,2 раза меньшей высоты (18 см). Большее по величине на 54 % усилие в нижней правой тяге Fn тах у опытного образца в абсолютных цифрах составляет небольшую величину 2,8 кН и к тому же, в отличие от серийного образца, положительно отражается на работе НУ трактора, так как таким образом более равномерно распределяется суммарная нагрузка на его обе нижние тяги от силы сопротивления дисковой батареи, преодолевающей высокое препятствие.
Результаты опытов с исследуемыми образцами на вырубке для случая движения агрегата при транспортном положении орудия также не выявили превышения максимальных значений усилий в тягах НУ трактора у опытного образца по сравнению с аналогичными усилиями у серийного (см. таблица 4.6). Величина максимального усилия растяжения в верхней тяге Fe тах у опытного образца была на 14 % меньше аналогичной величины у серийного, а ее абсолютное значение, составившее 13,4 кН. Эта величина в несколько раз меньше допускаемого усилия для вмонтированных в верхнюю тягу пружин демпфера НУ трактора ДТ-75М, способного выдерживать подобные нагрузки при транспортировании навесных орудий массой до 1400 кг. Величины максимальных усилий в нижних левой Fn тах и правой Fn тах тягах составили 7,8 кН у серийного образца и 6,6 кН у опытного, т.е. на 22 % меньше у последнего.
Выполненные эксперименты по определению максимальных значений давлений в гидроцилиндрах НУ трактора Ргн тах и приспособления Ргп тах также не выявили превышение этих показателей у опытного образца по сравнению с серийным (см. таблица 4.6). В равных условиях проведения экспериментов зафиксированные максимальные значения Ргн тах и Рт тах в сериях опытов при движении агрегатов на вырубке при транспортном положении орудий составили у серийного и опытного образцов соответственно 5,2 и 4.4 кН. Меньшее на 14 % максимальное значение давления Ргн тах у опытного образца, как и относительно невысокое максимальное значение давления Рт тах в гидроцилиндре его приспособления, не превышающее 3,1 Мпа, в обоих случаях много меньше допускаемого максимального давления (10 Мпа), регламентированного для гидросистемы НУ серийного трактора ДТ-75М.
Таким образом, результаты анализа экспериментов по определению максимальных значений нагрузок на основные элементы конструкции НУ серийного трактора, свидетельствуют о возможности его надежной и безопасной эксплуатации в агрегате с серийными дисковыми орудиями массой до 1200 кг, навешиваемых на трактор с помощью предлагаемой конструкции приспособления. 1 Результаты экспериментального исследования работы на вырубке опытного и серийного культиваторов имеют высокую сходимость с результатами математического моделирования, что свидетельствует о обоснованности полученных теоретических положений. 2 На участках до столкновения с препятствием на лесном объекте при одинаковых условиях проведения экспериментов для опытного образца и культиватора КЛБ-1,7 выявили следующие достоинства: - средняя глубина обработки на 12 % выше, а ее коэффициент вариации и среднеквадратическое отклонение ниже на 24 и 22 %, соответственно, что позволило уменьшить повреждаемость саженцев в рядке в среднем в 2 раза; - ширина защитной зоны в среднем выше на 16 %, а коэффициент вариации и среднеквадратическое отклонение меньше на 21 и 17 %, соответственно, что позволило уменьшить повреждаемость саженцев в рядке в среднем в 2 раза; 147 - величина огреха у разработанного образца меньше и составляет в среднем 90 см против 102 см у серийного культиватора; - высота преодолеваемых препятствий в 2,2 раза больше у опытного образца, чем у серийного орудия; - величина рабочего сопротивления в среднем на 20 % меньше при более качественном подрезании сорной растительности. 3 Выявлено, что в момент столкновения дисковых рабочих органов культиватора с препятствием наибольшие величины нагрузок зависят от скорости перемещения агрегата и в меньшей степени от типа материала. Увеличение скорости втрое приводит к росту силы удара батареи о препятствие при использовании древесины -в среднем в 1,4 раза, а для камня - в 1,6 раза. Изменение типа материала, в том же интервале изменение скорости, повышает силу удара о древесину и камень соответственно в 2,1 и 2,4 раза. 4 Снижение максимальных значений ударных нагрузок на дисковые батареи опытного по сравнению с серийным культиватором в момент встречи их с препятствиями из древесины и камня составило в среднем соответственно на 16 и 32 %, при возвращении в исходное положение и ударах об упоры в 3,4 раза, при ударе орудия о почву в момент падения за препятствие в 3,5 раза. 5 Максимальная высота преодолеваемого препятствия почвообрабатывающим орудием опытного образца 12 см без поднятия рамы и 40 см с поднятием вверх всего культиватора, тогда как для серийного образца она не превышала соответственно 7 и 18 см. При этом вертикальные перемещения рамы опытного культиватора были в 1,5 раза, а максимальные значения усилий на рабочих органах на 24 % меньшими по величине. 6 Благодаря использованию приспособления к навесным устройствам тракторов опытный культиватор по сравнению с серийным при движении дисковой батареи вверх по препятствию большей в 2,2 раза высоты испытывает на 24 % меньшие по величине нагрузки. 7 Использование приспособления позволяет снизить нагрузки на элементы конструкции навесных устройств серийных тракторов, что обеспечивает надежную рабо 148 ту навешиваемых на них орудий массой до 1200 кг для серийного трактора ДТ-75М. Так при преодолении опытным культиватором препятствий и при его движении в транспортном положении максимальные значения усилий в верхней тяге навесного устройства трактора были меньше соответственно на 14 и 24 %, а в нижних тягах на 22 и 24 % по сравнению с серийным культиватором. При этом средняя величина максимальных значений давлений в гидроцилиндре навесного устройства трактора была на 14 % меньше, а его абсолютная величина, составившая 5,2 МПа, почти вдвое меньше допускаемого, равного 10 МПа. 8 Предложенная и апробированная экспериментальнт методика имитационного моделирования процесса движения на вырубке лесного дискового культиватора, оснащенного приспособления к навесному устройству агрегатируемого трактора, может быть использована при разработке и проектировании других навесных дисковых лесных и сельскохозяйственных орудий.