Введение к работе
Актуальность работы. При использовании существующих машин
создание оптимальных.почвенных'условий для качественного' посева,
получения дружных всходов и обеспечения нормального развития
сельхозкультур п начальный период вегетации предопределяет
необходимость многократных проходов агрегатов по полю, что приводит
к иссушению и чнлоінепню почвы-и в итоге к снижению урожая, а
фрезерные машины имеют такие недостатки, как; низкая
производи гелыюст ь н высокая энергоемкость.
Эти недостатки о определенной степени исключаются при применении ротационных 'бесприводных рыхлителей, у которых ведомый ротор имеет привод от впереди расположенного ведущего ротора и вращается с окружной скоростью в несколько раз превышающей окружную скорость ведущего. Последний приводится во вращательное движение за счет взаимодействия с почвой. .
В сравнении с применяемыми орудиями и машинами ротационные беспрпводн'ые рыхлители более пронзводителны и требуют меньше материальных, затрат.-
Наряду с этим, опытами выявлен и ряд недостатков этих.рыхлителей, а именно: чрезмерное скольжение ведущего роторами сгружнвпнке почвы перед ним, что гоиорит о недостаточно устойчивой его работе.
Согласно изложенному, усовершенствование технологического процесса работы, и обоснование основных параметров ротационного бесприводного рыхлителя для качественной предпосевной подготовки почвы под посев хлопчатника является актуальной задачей и имеет важное народно-хозяйственное значение.
Цель.'исследований- Обоснование рациональных параметров и режимов раооты ведущего ротора ротационного бесприводного рыхлителя.'
Объект исследований. Ведущий ротор ротационного бесприсод-ного рыхлителя и реализуемый им технологический процесс.
Методика исследований. Теоретические исследования по определению параметров ведущего ротора проводились с использованием известных положений теоретической механики.
Экспериментальные исследования по проверке основных теоретических положении и обоснованию конструктивных параметров ведущего ротора проведены на специально разработанных її изготовленных для отой цели стендах и полевой установке с применением метода тензометрнровання.
Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики. Параметры ведущего ротора оптимизированы методом математического планирования экспериментов.
Агротехнические показатели.работы ведущего ротора ротационного беепрпводного тшхлптеля. определены по ОСТ-70.4.2-80 "Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для поверхностной обработки почвы. Программа и методы испытаний", а энергетические по ОСТ-70.2.2-73 "Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки" и ГОСТ 7057-81 "Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний".
Экономическая эффективность предлагаемого ведущего ротора ротационного бесприводного рыхлителя рассчитана в соответствии с ГОСТ 23728-88, ГОСТ 23730-88 "Техника сельскохозяйственная. Методы экономической , оценки" с. использованием нормативно-справочных материалов и результатов сравнительных испытаний.
Ппучпап ііооїі'їна.'.Исследованьі и обоснованы параметры ведущего ротора ротационного .бесприводного рыхлителя, обеспечивающие необходимый момент для привода ведомого ротора.
Выведены аналитические зависимости для. определения диаметра ротора, числа зубьев на метр ширины его захвата, угла установки зубьев, их ширины И длины. Новизна технических решений подтверждена предварительными патентами №2871 "Почвообрабатывающий ротационный рабочий орган", .№'5138 "Ротационный рыхлитель", № 5810 "Зубчатый ротор почвообрабатывающего орудия", выданными Государственным Патентным Ведомством Республики Узбекистан.
Практическая Ценность. Использование ротационного беспрнводного рыхлителя, снабженного экспериментальным ведущим ротором, на предпосевной обработке почвы снижает расход топлива на 4,56 кг/га, повышает производительность труда в 1,28 раза, снижает затраты труда в 2,5 раза, обеспечивает экономический эффект около 1,6 млн. сум в год на одну машину.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований
переданы в АО "Наманганагромаш''. Опытный образец машины прошел
приемочные испытания в Узбекском государственном центре по
сертификации и испытанию сельскохозяйственной техники п
технологии (УзГЦИП). В АО "Наманганагромаш" изготовлена опытная
партия. . . .
АироПацнл работы. Основные положення диссертационной работы докладывались на Ученом Совете УзМЭИ в 1994... 1999гг., па Первой вплоятскон научно-практической , конференции по экологическому воспитанию (г.Гулпстан, 1994г.), на Первой Республиканской конференции по экологическим проблемам Ландшафтов "Табиат" (г.Гулпстан, 1994г.), а в .полном объеме докладывались на научных семинарах ИМпСС АН РУз, ТИИИМСХ и научно-техническом совете УзМЭИ (2000 г.).
Публикация. Основные положения диссертационной работы изложены в 12-ти научных работах, в том числе в 3 предварительных патентах Государственного Патентного Ведомства Республики Узбекистан.
Структура » объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендации, списка использованной
литературы и приложении. Объем диссертации 143.стр. машинописною текста, включающий 49 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы, состоящий из 90 наименовании и 6 приложений.
ОСНОШІОЕСОДІ ржлнш: рлвоты
Введение. Во введении обоснована актуальность исследований и изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" описана технология подготовки почвы к севу хлопчатника и других культур, дан анализ средств на ее выполнение, оценена целесообразность применения ротационного бесприводного рыхлителя (рис. 1) и выявлены его недостатки. Дан анализ конструкции известных роторов и обзор работ по совершенствованию их конструкции.
Исследованиями технологических схем работы комбинированных почвообрабатывающих машин и их рабочих органов занимались П.М Василенко, И.М.Панов, Г.И.Синеоков, Г.М.Рудаков, Ф.М Конарев, Ю.М.Матяш'нн, Р.И.Бап.метов, В И Зволннский, Л.П.Антошип, 13 II Савин, А.А.Ахметов, АН.Кабанов, М.Мпрахматоа, А.А.Ыасритдинов и другие.
Анализ работ этих исследователей позволил выделить комплекс факторов, оказывающих влияние на качественные . и энергетические показатели работы как самого ротационного бес при вод кого рыхлителя, так и его отдельных рабочих органов, в частности, ведущего ротора.
Несмотря на обоснованность некоторых параметров ротационного бесприводиого рыхлителя, в целом рабочий процесс и параметры ведущего ротора ротационного бесприводного рыхлителя изучены недостаточно. В частности, не установлена взаимосвязь между конструктивными и кинематическими, параметрами ведущею ротора и качеством обработки почвы. Слабо освещены вопросы влияния основных геометрических размеров ведущего ротора на их рабочий процесс. Для достижения поставленной цели на основе обзора литературно-патентных источников и анализа конструкции известных роторов были сформулированы следующие задачи исследований:
- изучить, условия работы ведущего ротора ротационного
бесприводиого рыхлителя;
- изыскать и обосновать тин ведущего ротора и форму его зубьев,'
обеспечивающие необходимый крутящий момент для привода
ведомого ротора ротационного бесприводиого рыхлителя;
Рисі. Технологическая схема работы ротационного беспрнводного рыхлителя; . 1-рамл; 2-опорііое колесо; 3-дышло; 4-оедущиіі ротор; S-ведомый ротор; б-рыхлп-тельные лапы; 7-катоіс
- обосновать основные параметры и режим работы ведущего ротора
ротационного бесприводного рыхлителя;
- провести сравнительные испытания' разработанного ротора
ротационного бесприводного рыхлителя и определить экономическую
эффективность его применения.
Во второй, главе "Теоретические исследования" приведены результаты аналитических исследований процесса воздействия ведущего ротора ротационного бесприводного рыхлителя на почву и обоснованию его параметров
Кинематика ведущего н ведомого роторов. Точки Аі и Аг ведущего и ведомого роторов (рис.2.) будут совершать движение по кривым, уравнения которых в параметрической форме имеют вид:
Xi=V„ (,+)„+ id, cos (witi); Z;=-- di-sin(wIti); X2= V„ t, + - d2 cos (w2ti); Z2 = -1 d2 sin (w2ti),
. .(2)
(3)
(4)-
где dt- диаметр ведущего ротора, м; d2 - диаметр ведомого ротора, м;
1„ - расстояние между роторами, м: t| -текущее значение времени, с;
V,, - поступательная скорость движения агрегата, м/с. "'
Рис.2. Схема к рассмотрению кинематики ведущего и ведомого рогориь
Взаимодействие зуба ротора с почвой характеризуется скоростью и ускорением различных его точек, которые определяются но следующим зависимостям:
скорость.
с/,
f/ = у* + со,-1— 2F„u), -J-sfn(u),o;
(5)
2 , ,.2 d"l
У2 = ,/''. + К -f - 2'>2 у sin(fii20.
(6)
ускорение
.4 fL^;,
u\ = -J^i4 ~rcos 2(«i') + ^2 ^sin 2(
^2 = i/2^r-cos 2(«20 +
Рнс.З. Влияние «кружной скорости роторов на ускорение точек зубьев и ножа роторов при диаметре: 1- (1 = 0,50 м; 2 - d = 0,55 м; 3-d = 0,60 м.
ведущий ротор;
ведомый ротор.
На основании анализа вы
ражении (5), '(6), (7)ч (8) можно
отметить, что на величину скорости
и ускорения точек зубьев и ножей
значительное влияние оказывает
поступательная и окружная
скорости роторов. Эти уравнения также показывают, что разные точки зубьев' в зависимости от места их расположения от оси вращения ротора имеют различные как скорости так и ускорения, а следовательно воздействуют на почву с различными скоростями, что вызывает перемешивание почвенных частиц.
С увеличением значении как диаметра, так и поступательной Скорости (рис. 3) ускорение точек зубьев ведущего и ножей ведомого роторов возрастает. Причем, влияние этих параметров на ускорение точек зубьев и ножей роторов неравнозначно.
Исследование влияния параметров ведущего ротора на величину приводної о момента. У ротационного бесприводного рыхлителя ведомый ножевой ротор приводится во вращательное движение с окружной скоростью в несколько раз превышающей окружную скорость ведущего приводного ротора, вращающегося за счет взаимодействия с обрабатываемой почвой.
Приводной крутящий момент Мпр иа валу ведущего ротора можно определить из выражения:
Л/.
2/і
0,215
4ы
(9)
где К - коэффициент сопротивляемости почвы деформации сдвига, Па; В,- ширина захвата зуба ведущего ротора, м; Z\- число зубьев одновред)ешн> находящихся во взаимодействии с почвой в течении времени t, ""/с; h - глубина обработки почвы, м. Анализ выражения (9) показывает, что для конкретных почвенных условии величина приводною крутящего момента зависит от ширины зуба и радиуса ведущего ротора, ею угловой скорости вращения и числа зубьев, одновременно находящихся во взаимодействии с почвой.
Следует отметить, что чем больше приводной момент, тем больше возможности увеличения окружной скорости ведомого ротора и, следовательно, увеличения скорости соударения пожеи ведомою ротора о почвенные комки, что повышает эффективность их разрушения.
Определение числа зубьев ведущею ротора. Если учесть, что для нормальной работы ротационного беенрнводпого рыхлителя М„р должен быть больше, чем момент сопротивления ведомого роїора, т.е.
М.ф>Мс
(Ю)
то с учетом формулы (9) имеем
KBsdl.
Z >
4 Л/
i^-0,2 15
(П)
Таким образом, при неизменном скоростном режиме работы и физико-механических свойствах почвы, число зубьев прямо пропорционально моменту сопротивления и обратно пропорционально ширине захвата зуба и радиусу ротора.
Обоснование кинематического режима работы ведущего ротора. Кинематический режим работы ведущего ротора определяется из следующего выражения
са.Кр
X = — . (12)
(13)
V n -Еслиучесть, что
V п - и . R р
где 6С- степень скольжения рогора; га - окружная скорость ведущего
ротора, с'1; Rp - радиус ротора, м, то с учетом (12) имеем
. Ь - 1- 8С. ^. (14)
Для нормальной работы ведущего ротора объем заполняемый почвой пространства QSM должен быть больше объема обрабатываемой почвы - Q0r,p, т.е.
Q,>Qo6P. (15)
Подставляя в это неравенство значения Q,.,u и 00Й1, находим допустимую длину пути скольжения 1с ведущего ротора.
где Кпп- коэффициент заполнения почвы, зависящий от конструктивной формы зуба; КР,Т,-коэффициент разрыхления почвы; Гб - радиус барабана ротора, м; 7л - количество зубьев ротора, шт. Допустимая длина пути скольжения (1С) ведущего ротора будет
обеспечена при степени скольжения, удовлетворяющей условию:
Подставляя в (17) различные значення'глубины h и радиуса ЯР получим графические зависимости (рис. 4) типа бс = f (її. RP),
25 % Г7 Г J 9 5
(12250,25 0,275 0,30 М 0,35
0,04 0,06 0,08 0,10 « Л.—^—-
а с учётом численных
значений конструктив-ных
параметров ве-дущего
ротора нахо-дим допустимое
зна-чение степени его
скольжения, которое
должно быть не более 0,181,
т.е. 18,1%. Тогда
рациональный кине-
матический режим ра-боты ведущего ротора согласно (14) будет X > 0,8 2 .
І'нс.4. Зависимость скольжения ротора от (і и Rp
В третьей главе "Методика и результаты экспериментальных исследований" описаны мето-
дика и оборудование для
исследования основных па
раметров и режимов работы
ведущего ротора, результаты
экспериментов, проведенных
в лабораторно-полевых
"условиях.
а.
Исследование н.шннип
формы зубьев на
скольжение ведущего
ротора. Эксперименты
Рис.5. Экспериментальные тубья раїліічпин (|юрмы: а - прямая лоіїагчатая; 6- .Ч-обраіио-лопагчаїан; п - прямая круглая.
проводитись со- следующими различными формами зубьев: прямая лопатчатая; S-образно-лонатчагая; прямая круглая (рис 5)
il Результаты исследовании показанії, что наилучшее качество крошения почвы (содержание фракций почвы размером менее 10 мм составило 55,99%) при наименьшем скольжении ведущего ротора (10,29%) обеспечивают S-образно-лоиатчатые зубья, а наихудшие показатели по качеству крошения почвы (40%) наблюдались при работе зубьев с прямой круглой формой. При этом скольжение ведущего ротора было самое большое и составило 22,30%.
Исследование влияния ширины лопатки зуба. Установлено, что с увеличением ширины лопатки зуба ог 20 до 50 мм скольжение ведущего ротора уменьшается от 21,4 до 10,2%, а значение крутящего момента увеличивается от 10,1 до 16,2 Им. С увеличением крутящего момента ведущего ротора стабилизируется окружная скорость ведомою ротора, за счет этого улучшается качество крошения почвы на 30%.
Таким образом, наиболее выгодной с точки зрения повышения качества крошения почвы является ширина лопатки ведущего ротора, равная 50 мм.
Обоснование угла отклонении зубьев относительно радиуса ведущего ротора. Критериями оценки являлись качество крошения почвы, степень скольжения и крутящий люмент ведущего ротора. На основании априорной информации и анализа ранее проведенных работ угол установки .зубьев изменялся в пределах оі,С/'до45<'сіііпервалом 15".
Результат исследований показали, что с увеличением утла установки зубьев ведушего ротора от 0 до 30 качество крошения почвы улучшается на 13,23%, Это объясняется тем, что скольжение ведущего ротора уменьшается на 7,41%.
При этих значениях угла установки сопротивление внедрению зуба в почву имеет минимальное значение. С дальнейшим увеличением утла установки от 30 до 45" качество крошения' почвы ухудшается. Это объясняется тем, что зубья внедряются в почву под тупым углом, а следовательно, увеличивается скольжение ведушего ротора и тем самым ухудшается качество крошения почвы.
Оптимизация параметров ведущего ротора проведена с использованием' метода математического планирования эксперимента. Основные исследуемые факторы, интервалы и уровни их варьирования представлены в таблице.
После обработки результатов экспериментов и оценки значимости коэффициентов получены следующие уравнения регрессии, адекватно
" 12 Уровни факторов и интервалы их варьирования
описывающие зависимость функции отклика от конструктивных параметров и режима работы ведущего ротора:
- по тяговому сопротивлению (Н):
Yp = 49,4 + 6,86Хі - 1,55Х2 - 1,39Х3 - 3,2!X2i + 1,68Х23;
по крутящему моменту ведущего ротора (Нм): . Ум = 7,О+1,5ЬіХ] + і192Хз + 0,96,Хз-0,89Х2з;
по скольжению ведущего ротора (%):
Y6 = 13,14 + 0.55Х, - 1,29Х2 - 5.97Х., + 0,84Х2Х3 + 3,26Х23.
На основе анализа двумерных сечений, полученных в результате графической интерпретации уравнений регрессии, установлено, что рациональными значениями исследуемых факторов, обеспечивающими требуемое качество обработки почвы при минимальных тяговом сопротивлении и скольжении и максимальном крутящем моменте являются: скорость движения V„= 2,0...2,6 м/с; диаметр ведущего ротора D=600 мм; число зубьев на 1 метр ширины захвата 38...42 шт.
В четпертой главе "Технико-экономическая эффективность применения ротационного беспрнводного рыхлителя" приведены результаты сравнительных испытаний ротационного бесприводного рыхлителя, снабженного рекомендуемым ведущим ротором, и базового комплекса машин (ЧКУ-4А, ВП-8,0Л и МВ-6,0) Результаты испытаний показали, что у ротационного беспрнводного рыхлителя качество крошения почвы выше т.е. содержание фракций размером.менее 25 мм больше на 19,1% , а содержание крупных комков размерами более 50 мм меньше на 19,07%. Кроме того у рекомендуемого ротационного беспрнводного рыхлителя из-за наличия ножевого розора содержание
із комков более 100 мм отсутствует, тогда как у базового комплекса оно составляет 12,27%.
Применение ротационного бесприводного рыхлителя, снабженного рекомендуемым ведущим ротором, на предпосевной обработке почвы позволяет по сравнению с существующим комплексом машин уменьшить расход топлива'на 4,54 кг/га, повысить производительность труда в 1.28 раза.
Головой экономический эффект от применения ротационного бесприводного рыхлителя (по ценам на 01.01.2000 г.) составляет около 1,6 млн. сум па одну машину.
1. Проведенный анализ технологических схем и конструкции
машин для предпосевной обработки почвы показал, ' что наиболее
перспективными для подготовки почвы иод посев хлопчатника являются
ротационные бесприводные рыхлители, которые по сравнению с
почвообрабатывающими' фрезами позволяют при высоком качестве
обработки почпы значительно снизить энергозатраты и повысить
производительность труда.
-
Рабочие органы существующих ротационных рыхлителей из-за неприспособленности к почвенпо-клпматнческим условиям поливного хлопководства не обеспечивают требуемого качества обработки почвы, что послужило основанием для проведения теоретических и экспериментальных исследований.
-
Кинематический анализ работы ротационного бесприводного рыхлителя и выведенные аналитические зависимости позволили установить, что на величину скорости и ускорения точек зубьев и ножей роторов значительное'влияние оказывают поступательная и окружная скорости роторов и, что разные точки рабочих поверхностей зубьев ротора взаимодействуют с почвой с различными скоростями, что вызывает перемешивание почвенных частиц.
-
Установлено, что ширина зуба ведущего ротора должна быть достаточной для обеспечения приводного момента ведомого ротора, а наилучшие условия для крошения почвы создаются при. работе з\оа ведущего ротора с заточенным конном, имеющим клиновидную форму.
5. Теоретическими и экспериментальными исследованиями
.выявлено, что заданный технологический процесс работы ротационного
л-
бесприводного рыхлителя и требуемое качество обработки почвы обеспечивается при следующих его рациональных параметрах и режимах работы: форма зубьев ротора -S- образно-лонатчатая; диаметр ротора - 600...650 мм; число зубьев на метр ширины захвата ротора -38...42 шт; угол установки зубьев относительно радиуса ротора - 30 ; расстояние между смежными зубьями - 50 мм; ширина зубьев - 50 мм; длина зубьев - 600 мм; поступательная скорость ротационного рыхлителя - 2,0...2,6м/с.
6. Проведенные сравнительные испытания показали, что применение ротационного бесприводного рыхлителя па предпосевной обработке почвы позволяет повысить производительность в 1,28 раза, снизить расход топлива на 4,56 кг/га и. затраты труда в 2,5 раза.
Похожие диссертации на Обоснование параметров ведущего ротора ротационного бесприводного рыхлителя
