Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблемы и основные задачи исследования 12
Обзор исследований в области ротационных почвообрабаты вающих машин 12
Классификация ротационных машин и самоходных малогаба ритных почвообрабатывающих фрез (СМПФ) 24
1 Анализ существующих классификаций ротационных машин 24
2 Анализ конструкций самоходных малогабаритных почвообрабатывающих машин 27
3 Предлагаемая классификация ротационных почвообрабатывающих машин 31
Анализ динамических нагрузок в приводе и способов их снижения при работе почвообрабатывающих фрез 33
Предпосылки к выбору способа повышения функционирования СМПФ и его практическая реализация 39
Цели и задачи исследования 42
Теоретическое обоснование курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы
Общие введения о курсовой устойчивости СМПФ 44
Кинематика фрезерных почвообрабатывающих машин 46
Динамика рабочего органа и фрезбарабанов СМПФ 50
Динамические условия курсовой устойчивости почвообраба тывающей фрезы 57
Анализ курсовой устойчивости СМПФ 58
Анализ курсовой устойчивости СМПФ в продольно вертикальной плоскости
Анализ курсовой устойчивости СМПФ в продольно вертикальной плоскости при качании относительно оси ходо
вых колес 64
Анализ баланса потребляемой мощности СМПФ 71
Выводы 75
Программа и методика экспериментальных исследований 77
Задачи экспериментальных исследований 77
Программа исследований 77
Методики экспериментальных исследований 79
1 Методика планирования многофакторного эксперимента 79
2 Методика обработки экспериментальных данных 84
3 Методика многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы СМПФ 89
4 Методики исследование физико-механических свойств почвы 91
5 Методика определения качества крошения почвы 95
6 Методика энергетической оценки функционирования СМПФ 96
7 Оборудование для проведения экспериментальных исследований 97
Выводы 123
Результаты эксперементальных исследований и их анализ 124
Результаты лабораторных исследований 124
1 Анализ силового взаимодействия фрезерных рабочих органов СМПФ с почвой 124
2 Анализ курсовой устойчивости СМПФ в продольно-вертикальной плоскости 127
3 Анализ энергоемкости процесса фрезерования почвы СМПФ 134
4 Анализ результатов многокритериальной оптимизации режимов работы СМПФ и энергоемкости процесса обработки почвы 140 Краткое описание предлагаемой конструкции СМПФ с бесступенчатым регулированием поступательной скорости и подачи на нож 143
Результаты полевых испытаний 149
1 Анализ энергоемкости процесса фрезерования почвы СМПФ в полевых условиях 150
2 Анализ агротехнической оценки полевых испытаний 152
Выводы 154
Технико-экономическая оценка работы смпф с беступенчатым регулированием скорости движения 159
Выводы 166
Общие выводы 167
Список использованных источников
- Анализ конструкций самоходных малогабаритных почвообрабатывающих машин
- Динамические условия курсовой устойчивости почвообраба тывающей фрезы
- Методика обработки экспериментальных данных
- Анализ энергоемкости процесса фрезерования почвы СМПФ
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время для обработки почвы в условиях как защищенного, так и открытого грунта широко используются самоходные малогабаритные почвообрабатывающие машины, в частности фрезы (СМПФ), что обеспечивает высокое качество работы по таким технологическим показателям, как измельчение и заделка растительных остатков, рыхление (крошение), выравнивание поверхности почвы, перемешивание ее с минеральными удобрениями. Однако возникающие при этом значительные затраты мощности на фрезерование и большие динамические нагрузки на рабочие органы отрицательно сказываются на производительности и условиях работы оператора, что является основным сдерживающим фактором более эффективного их применения. Кроме того, производители СМПФ часто с целью снижения стоимости упрощают их конструкцию, например, исключая из нее многоступенчатые коробки скоростей. Это не позволяет обеспечивать требуемый скоростной режим обработки почвы, что также отрицательно сказывается на эффективности функционирования СМПФ в различных условиях.
В связи с обозначенными проблемами исследования, направленные на решение задачи повышения эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с обоснованием основных конструктивно-технологических параметров, являются весьма актуальными.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Института механики и энергетики ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», отвечающей приоритетным научным работам университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).
Цель работы – повышение эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез оптимизацией конструктивно-технологических параметров по критериям курсовой устойчивости и качеству выполнения работ.
Объект исследования – самоходная малогабаритная почвообрабатывающая фреза с прямым вращением и Г-образными рабочими органами.
Предмет исследования – взаимосвязь технологических параметров и параметров курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с учетом особенностей обрабатываемой среды.
Методика исследований. Общая методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок по изысканию способов повышения эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез и обоснованию режимов их работы в конкретных почвенных условиях, их экспериментальную проверку в лабораторных и полевых условиях и экономическую оценку результатов исследований.
Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений и законов механики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, методов теории планирования эксперимента, оптимизации, статистики и др.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых и частных методик, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием методов математической статистики на ЭВМ.
На защиту выносятся:
– результаты теоретических исследований по обоснованию способа повышения функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез;
– условия, определяющие курсовую устойчивость самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с прямым вращением Г-образных рабочих органов в продольно-вертикальной плоскости;
– аналитические зависимости для определения оптимального значения подачи на нож с учетом обеспечения условий курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы;
– результаты лабораторных исследований взаимодействия Г-образных фрезерных рабочих органов с почвой в зависимости от ее твердости и подачи на нож, а также полевых испытаний самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения в сравнении с базовой конструкцией фрезы ФС-0,85;
– конструкция самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения, обеспечивающая повышение функционирования за счет выбора оптимального режима работы в зависимости от конкретных почвенных условий (патент РФ на изобретение № 2353080 «Почвообрабатывающая фреза»);
– результаты технико-экономической оценки функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения.
Научная новизна работы:
– разработаны условия отсутствия буксования, самопроизвольного перекатывания и качания относительно оси ходовых колес СМПФ с учетом основных силовых факторов взаимодействия фрезбарабанов с почвой, режимов работы с весовыми характеристиками и конструктивными параметрами СМПФ, позволяющими оценить курсовую устойчивость машины в продольно-вертикальной плоскости;
– получены расчетные зависимости мощности и удельной энергоемкости функционирования СМПФ от основных силовых факторов взаимодействия фрезбарабанов с почвой, режимов работы с ее весовыми характеристиками и конструктивными параметрами;
– получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость силовых характеристик взаимодействия фрезерных рабочих органов с обрабатываемой средой от твердости почвы и подачи на нож;
– получены оптимальные значения допустимых подач на нож по критерию минимальной энергоемкости процесса обработки почвы фрезерными рабочими органами.
Практическую значимость представляют:
– условия курсовой устойчивости СМПФ, заключающиеся в отсутствии возникновения буксования ходовых колес, самопроизвольного перекатывания машины под действием подталкивающей силы в процессе взаимодействия фрезерных рабочих органов с почвой и отсутствия качания машины относительно оси ходовых колес в продольно-вертикальной плоскости;
– методика определения предельно допустимых значений подачи на нож с учетом обеспечения условий курсовой устойчивости СМПФ в продольно-вертикальной плоскости в зависимости от режима работы, массовых и геометрических характеристик и свойств обрабатываемой почвы;
– новые конструкции самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с возможностью бесступенчатого регулирования поступательной скорости (патенты РФ на изобретения № 2353080 и № 2340134 и решение о выдаче патента на изобретение РФ «Почвообрабатывающая фреза» от 09.12.2010 г.);
– модернизированный испытательный стенд с экспериментальной тележкой для исследования рабочих органов СМПФ с устройствами бесступенчатого регулирования кинематических характеристик и стабилизации глубины обработки (патенты РФ на полезные модели № 88896 и № 96720 «Экспериментальная тележка для испытательного стенда»), а также устойчивости хода (рационализаторское предложение ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» № 1092);
– разработанный автоматизированный измерительный комплекс (АИК) с программным блоком (ПБ) Stand-Frser на базе программной среды LabVIEW 7.0 фирмы National Instruments (США).
Реализация результатов исследований.
Результаты научных исследований используются на ОАО «МордовАгроМаш» при проектировании экспериментальной партии самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с бесступенчатым регулированием поступательной скорости и в ГУП РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий».
Результаты модернизации испытательного стенда с экспериментальной тележкой и разработанным АИК с ПБ Stand-Frser на базе программной среды LabVIEW 7.0 внедрены в учебном процессе ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».
Опытный образец самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения, выполненный на базе фрезы ФС-0,85, прошел производственную апробацию и внедрен в ГУП РМ «Луховское» и ГУП РМ «Тепличное» Октябрьского муниципального района городского округа Саранск.
Апробация. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: наука, техника, образование» (г. Саранск, 2007 г.); республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (г. Саранск, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2010 г.); XXXVIII Огаревских чтениях ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2010 г.); на расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 53 печатных работах (основных 18), из них 3 – в изданиях по перечню ВАК РФ, 1 – в изданиях по перечню НАК Кыргызской Республики; получены 2 патента на изобретения «Почвообрабатывающая фреза» и «Почвообрабатывающая электрофреза» и одно положительное решение о выдаче патента «Почвообрабатывающая фреза», 2 патента на полезные модели «Экспериментальная тележка для испытательного стенда».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включает 58 рисунков, 10 таблиц, 138 источников литературы и приложения.
Анализ конструкций самоходных малогабаритных почвообрабатывающих машин
Теоретическими и экспериментальными исследованиями машин с активными ротационными рабочими органами (фрез, рыхлителей, плугов, бороз-до-гребнеобразователей) занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А. П. Акимов, В. И. Андреев, Н. Б. Бок, П. М. Василенко, А. И. Веденеев, И. М. Гринчук, И. И. Гуреев, А. Д. Далин, Б. Д. Докин, В. Д. Донцов, Д. Н. Ефимов, Я. М. Жук, Н. В. Зволинский, Л. С. Зенин, Ю. Ф. Казаков, Ф. М. Канарев, А. И. Лещанкин, А. Д. Лукьянов, Ф. С. Любимов, О. С. Марченко, Ю. И. Матя-шин, В. И. Медведев, П. А. Некрасов, П. В. Павлов, И. М. Панов, Г. Ф. Попов, Г. Н. Синеоков, 3. А. Тарасюк, М. Н. Чаткин, Е. П. Яцук, Г. Бернацки, В. Зёне и др. Большинство полученных ими результатов исследований обобщены и опубликованы. Наиболее полно результаты представлены в следующих работах [3, 5, 17, 20, 43, 44, 45, 54, 71, 74, 75, 76, 115, 126, 128, 130, 133].
Анализ использования почвообрабатывающих машин с ротационными рабочими органами позволяет утверждать, что в подавляющем большинстве случаев они показывают высокое качество работы по таким технологическим показателям как измельчение и заделка растительных остатков, рыхление (крошение) почвы, перемешивание почвы с минеральными удобрениями.
Данный тип машин получил широкое применение при выполнении следующих видов технологических операций связанных с обработкой почвы [126]: предпосевная обработка; обработка задернелых минеральных и торфяных почв кормовых угодий; междурядная обработка гребневых посадок картофеля.
Однако, значительные затраты мощности на фрезерование и значительные динамические нагрузки рабочего процесса которые возникают при их работе являются основным сдерживающим фактором более широкого их приме нения. По данным известных исследователей [76, 115, 128] качество и энергоемкость обработки почвы зависят от направления вращения (прямое, обратное), конструктивных, технологических и кинематических параметров активных рабочих органов
А. Д. Далин и П. В. Павлов [32] сделали вывод о том, что при поступательной скорости фрезы 0,81 м/с и обратном вращении барабана расходуется меньше энергии, чем при прямом. Следовательно, обработку почвы на скоростях более 0,81 м/с целесообразнее проводить при прямом вращении фрезерного барабана.
Д. Н. Ефимов [128] считает, что при глубине фрезерования, превышающей диаметр барабана, способ обратного фрезерования менее энергоемок и может быть выгоден при обработке междурядий, окучивании, гребнеоб-разовании и других операциях.
По мнению Н. Б. Бока [10, 11], большими недостатками обратного фрезерования являются выбрасывание почвы перед барабаном и увеличение тягового сопротивления.
Ю. И. Матяшиным и И. М. Гринчуком [29, 30, 75, 76] экспериментально установлено, что наименьшая энергоемкость фрезерования достигается при отношении диаметра барабана к глубине обработки 1,2..Л,4 (прямое вращение) и 1,10... 1,25 (обратное вращение).
С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о целесообразности прямого вращения при фрезеровании почвы. В этом случае создается подталкивающее усилие, уменьшающее тяговое сопротивление и общую мощность.
Л. С. Зенин, Ф. С. Любимов и Л. П. Шутов [42] исследовали рыхление почвы в междурядьях культиваторами с горизонтальными и вертикальными фрезерными барабанами, долотообразными рабочими органами как раздельно, так и в различной их комбинации. Варианты с расположением долотообразных лап перед фрезерными барабанами были отвергнуты, т. к. в этом случае не устраняются присущие лапам недостатки — повышение тягового сопротивления и проникновение трещин скалывания (отрыва) почвенных комков в рядки растений, в результате чего повреждались корни растений. По степени крошения и удельной энергоемкости более эффективными оказались культиваторы с горизонтальным барабаном. Мощность, реализуемая рабочим органом горизонтального барабана — 5,6 кВт, вертикального — 7,3 кВт.
Режим работы активных рабочих органов считается оптимальным, если энергоемкость минимальна при агротехнически допустимом качестве обработки почвы. Режим работы характеризуется кинематическим параметром Я [115], с уменьшением которого снижается и энергоемкость. Нижний предел Я ограничивается как степенью крошения почвы, так и допустимой высотой гребней на дне борозды. Допустимая высота гребней или допустимое отклонение глубины обработки задается агротехническими требованиями.
В. Г. Демидов и Н. В. Зволинский [33] исследовали влияние кинематического параметра Я на энергоемкость и качество обработки почвы культиватором КФГ-3,6, оборудованным многоступенчатым редуктором. Минимальной энергоемкости фрезерования почвы соответствует Я = 4,3...4,5. При увеличении Я энергоемкость фрезерования растет из-за увеличения окружной скорости ножа, динамической составляющей сил сопротивления резанию и отбрасыванию почвы. При снижении Я до 3,8 уменьшилась глубина обработки. Это объясняется резким увеличением вертикальной составляющей силы сопротивления резанию. Ухудшение крошения почвы при уменьшении происходит из-за возрастания подачи на рабочий орган.
Динамические условия курсовой устойчивости почвообраба тывающей фрезы
Технологический процесс обработки почвы ротационными почвообрабатывающими машинами протекает в очень сложных условиях. Они в свою очередь зависят от почвенных и климатических условий, выбранных режимов фрезерования и конструктивных особенностей рабочих органов машины.
При выполнении технологического процесса обработки почвы, СМПФ может совершать вынужденные движения в системе координат с осями Ох, Оу и Oz (рисунок 2.1) [52, 58, 62, 81].
Таким образом, можно выделить шесть видов возможных движений СМПФ. При этом эти движения могут быть как следствием перемещения ходовых колес по неровностям, так и следствием взаимодействия фрезбарабанов с почвой при выполнении технологической операции по обработке почвы. При анализе возможных движений СМПФ предполагается, что через ее центр масс (т. О), который условно лежит на оси ходовых колес, проведены три взаимно перпендикулярные оси Ох, Оу и Oz, вдоль и вокруг которых могут происходить различные движения. Эти движении имеют названия [81, 105]: поступательные продольные относительно оси Ох — происходят при перемещении СМПФ и при непосредственном выполнении технологической операции по обработке почвы, кроме этого относительно указанной оси могут происходить подергивания машины связанные с подталкивающим эффектом в следствии взаимодействия фрезбаранов с почвой; поступательные вертикальные относительно оси Oz — подпрыгивание; поступательные поперечные относительно оси Оу — боковое скольжение; угловые продольные относительно оси Оу — тангожирование или продольное качание; угловые поперечные относительно оси Ох — крен или поперечное качание; угловые боковые относительно оси Oz — рыскание.
Указанные движения, кроме непосредственного поступательного движения СМПФ при выполнении технологической операции без эффекта подергивания, могут отрицательно сказываться на курсовой устойчивости СМПФ, что в свою очередь, приводит к снижению качества обработки почвы, неравномерной загрузке двигателя и повышению утомляемости оператора, который при помощи органов управления вынужден обеспечивать стабильное положение машины.
Анализ исследований работы СПМФ [4, 52, 82, 83, 84, 112, 124] показывает, что основным объектом возмущений на СМПФ являются ее рабочие органы, и в частности фрезбарабаны.
Таким образом, для более тщательного анализа влияния работы фрезбарабанов при взаимодействии их с обрабатываемой средой на курсовую устойчивость, далее рассмотрим основные вопросы кинематики и динамики фрезер ных рабочих органов с учетом особенностей конструкции СМПФ.
В процессе обработки почвы фрезбарабан совершает плоскопараллельное движение (если пренебречь его малыми возмущениями вокруг вертикальной Oz и продольно-горизонтальной Ох осей). При этом периферийные точки режущих элементов роторного рабочего органа совершают сложное движение.
Уравнения траектории этих точек в параметрической форме в неподвижной системе координат, как указано на рисунке 2.2, имеют следующий вид: = vn+ cs6V (2Л) у = г то)фґ, (2.2) где vn - скорость поступательного движения агрегата, м/с; гф - радиус Рисунок 2.2 - Схема работы ротационной почвообрабатывающей машины фрезбарабана, м; со - угловая скорость фрезбарабана, рад/с; t— время поворота ножа на угол, равный углу между соседними ножами (ее), с. Исключая из системы уравнений (2.1) и (2.2) параметр t, находим уравнение траектории режущей точки лезвия ножа в каноническом виде: = — агфвіп— + -z2 . (2.3) Соответственно проекции скоростей этих точек на указанные оси равны: v =vn- sin V (2-4) Vy r cosmt. (2.5) Величина абсолютной скорости определяется выражением: Va = VVn+Vo -2vnVoSin , (2.6) где v0 — окружная скорость указанных точек, м/с. Значение скорости v0 определяется по формуле: 0=%гф. (2.7) Из уравнений годографа скорости точки лезвия равны: C = vn-v0sin , (2.8) т]у =v0 cos а . (2.9) Исключая параметр t из (2.8) и (2.9), получим: (C-vn)2+772=v02. (2.10) Как видно из (2.10), годограф скорости данной точки представляет собой окружность с центром, смещенным от начала координат по оси абсцисс на величину скорости поступательного движения ротационной машины в сторону этой скорости.
Составное движение барабана для каждого данного момента времени можно представить одним вращательным движением вокруг мгновенного центра скоростей, который находится на оси Oz в точке Р, отстоящей от начала координат на расстоянии, равном OP — vn/ со. Неподвижная центроида имеет вид отрезка прямой, параллельной оси Ох и отстоящей от неё на расстоянии ОР.
Ускорение указанной точки А определяется по его проекциям: ax = y»Jcosfi + vn, (2.11) аУ = -rft?JsinfiV (2-12) Модуль абсолютного ускорения точки А в общем случае определяется из выражения: я = л1а1 +г12 -1апгъ1 cos , (2.13) а при равномерном поступательном движении машины (vn = const)-. а = гфа2ф. (2.14) Рабочие, органы, следующие друг за другом, из почвенного пласта вырезают стружку, ограниченную пятью поверхностями: со стороны дневной поверхности почвы стружка ограничена прямоугольником (шириной Ъ (м) и длиной S (м); двумя параллельными боковыми плоскостями, отстоящими друг от друга на ширину захвата ножа Ъ\ двумя поверхностями, ограничивающими стружку спереди и сзади, которые в пересечении с вертикальными плоскостями образуют часть трохоиды, т.е. траекторий двух рабочих органов, следующих друг за другом. Толщина вырезаемой стружки непрерывно меняется, уменьшаясь до нуля в конце резания. Среднюю величину объема стружки можно определить из условия: V=bSh, (2.15) где h — глубина обработки, м. Но так как от каждой стружки остается необработанный объем в виде гребешков на дне, то истинный объем стружки будет несколько меньше среднего объема. Более точный результат, удовлетворяющий практическим потребностям, можно получить из выражения: V = bS(h--hr), (2.16) где hT — высота гребешков на дне борозды, м.
Методика обработки экспериментальных данных
В результате проведенных теоретических исследований в области обеспечения курсовой устойчивости работы СМПФ были получены условия (2.62), (2.69) и (2.98), а также зависимость для затрат мощности (2.113), для решения которых необходимо установление зависимостей подталкивающей силы Fx, выталкивающего усилия F. и крутящего момента Мкр приведенных к приводному валу фрезбарабанов от подачи на нож и твердости почвы.
Поэтому для подтверждения и дополнения теоретических предпосылок в области обеспечения курсовой устойчивости работы СМПФ и для установления зависимостей усилий Fx и Fz и крутящего момента Мкр, нами, на кафедре сельскохозяйственных машин ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» были проведены экспериментальные исследования. Известно, что точность и достоверность результатов зависят от правильности методики экспериментов. В связи с этим при проведении экспериментальных исследований, были поставлены две основные задачи: — проведение лабораторных исследований взаимодействия фрезбарабанов с Г-образными рабочими органами СМПФ с почвой; — проведение полевых испытаний СМПФ с бесступенчатым регулированием поступательной скорости движения.
Исходя из цели и задач исследований, была разработана программа экспериментальных работ, которая предусматривает выполнение следующего объема работ: - модернизация лабораторной установки на базе почвенного канала с разработкой основных узлов и автоматизацией ее работы для проведения опы тов в лабораторных условиях; — изготовление опытного образца на базе почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 СМПФ с бесступенчатым регулированием поступательной скорости движения для проведения опытов в полевых условиях. Экспериментальные исследования работы СМПФ проводились с целью: — установления, в ходе лабораторных исследований, характера фрезер ных рабочих органов при взаимодействии с почвой и степени влияния кинема тических и технологических параметров на величину усилий Fxn Fz и переда ваемого крутящего момента на приводном валу фрезбарабанов Мщ, от подачи на нож и твердости и влажности почвы; - определения, в ходе проведения полевых испытаний опытного образ ца СМПФ с бесступенчатым регулированием поступательной скорости движе ния, энергетических параметров его работы, а также агротехнических показате лей поверхностной обработки почвы и технико-экономических показателей при различных режимах и сравнения их с соответствующими параметрами работы базовой конструкции почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85. Известно [21, 40, 73, 79, 92], что получаемый в ходе лабораторных экспериментов материал имеет статистический характер и является исходным для анализа характера случайных процессов и законов распределения изучаемых параметров. Поэтому при составлении плана проведения экспериментальных исследований за основу были взяты известные методики и использованы методы теории вероятностей.
Для проведения исследований применялись соответствующие ГОСТы, ОСТы и разработанные частные методики. 3.3 Методики экспериментальных исследований
Методика планирования многофакторного эксперимента Для установление зависимостей подталкивающей силы Fx, выталкивающего усилия F: и крутящего момента Мкр приведенных к приводному валу фрезбарабанов от подачи на нож и твердости и влажности почвы при проведении лабораторных экспериментальных исследований были использованы современные методы планирования эксперимента [1, 79, 90, 92, 109, 129] и на основании, которых, была составлена методика планирования и проведения многофакторного эксперимента [63].
Первый этап планирования заключается в выборе математической моде ли и типа плана для ее реализации. Экспериментальные исследования проводим в предположении нелинейных зависимостей Fz, Fx и Мкр. Поэтому в качестве исходной модели функции отклика был выбран полином второго порядка [66]. у = В0 + ВХХХ + В2Х2+В12Х1Х2+ВиХ12 +В22Х22, (3.1) где Х\ и Х2- варьируемые факторы; В0, Въ Вг, В\ъ Ви, Z?22 — постоянные коэффициенты уравнения регрессии.
Для выбора плана эксперимента в качестве критерия оптимальности был принят критерий рототабельности и униформности, так как данная модель строиться для предсказания значений функций отклика.
Свойство ротатабельности предполагает, что точки плана подбираются таким образом, что получаемая модель способна предсказать значении функции отклика с одинаковой точностью в любых направлениях на равных расстояниях от центра эксперимента, а при униформ-ротатабельном планировании получаемая информация постоянно остается внутри интервала 0 р 1, где р — радиус информационного круга.
Анализ энергоемкости процесса фрезерования почвы СМПФ
В ходе проведения лабораторных исследований по методике изложенной в п 3.3.1 были получены экспериментальные данные зависимостей подталкивающей Fx и выталкивающей Fz сил, и крутящего момента Мщ, приведенных к приводному валу фрезбарабанов от твердости почвы р и подачи на нож S (см. таблицу АЛ).
Таким образом, полученные экспериментальные данные были подвергнуты обработке по методике изложенной в п 3.3.2 с целью определения коэффициентов регрессии с проверкой их значимости и дальнейшего получения уравнений регрессионных моделей силовых характеристик Fx, Fz и Мщ, с последующей проверкой их адекватности. Результаты обработки экспериментальных данных представлены в таблицах АЛ - А.4 (приложение А).
В результате обработки экспериментальных данных были получены коэффициенты уравнений регрессионных моделей силовых характеристик Fx, Fz и Мкр в кодированном виде и значения значимых которых приведены в таблице 4.1.
Уравнение регрессионных моделей силовых характеристик Fx, Fz и Мкр с учетом коэффициентов в кодированном виде будут иметь вид: Fx= 163,619Х0+83,868Х1+71,051Х2+37,44Х1Х2; (4.1) jpz-347342X0+169,218X1+138,238X2+73,81X1X2-10,625X11; (4.2) Мкр=77,694Хо+27,707Х1+31,323Х2+16,785Х1Х2- 13,267ХИ+4,671Х22. (4.3) Полученные модели удовлетворяет всем критериям, и могут быть использованы при решении задач, связанных с обработкой почвы Г-образными рабочими органами. Для перехода от кодированных значений Х\ и Х2 к натуральным значениям факторов твердости почвы р и подачи на нож S воспользуемся формулой [129]: где FXVLFZ — подталкивающая и выталкивающая силы, приведенные к калу фрезбарабанов, Н; Мкр — крутящий момент на валу фрезбарабанов, Н-м; KQi, Кц, К2І, Kni, Km и K22i- размерные коэффициенты регрессии в раскодированном (натуральном) виде (значения коэффициентов и их размерности приведены в таблице 4.2).
Использование уравнений регрессии (4.5) и (4.6) с ранее полученными в п 2.4 условиями курсовой устойчивости СМПФ (2.62), (2.69) и (2.98) позволят оценить состояние устойчивости по ходу ее движения в продольно-вертикальной плоскости на отсутствие буксования, самопроизвольного перекатывания и качания машины относительного оси ходовых колес.
Использование уравнений регрессии (4.5), (4.6) и (4.7) совместно с ранее полученными п 2.6 уравнениями (2.104), (2.109) и (2.113) позволят дать оценку баланса мощности, а именно изменения мощности на фрезерование почвы, перекатыванию машины и требуемой мощности двигателя с учетом потерь в передачах привода рабочих органов и ходовых колес. Кроме этого дальнейшее решение позволит дать оценку энергоемкости технологического процесса обработки почвы фрезерованием.
Таким образом, для оценки устойчивости хода СМПФ в продольно-вертикальной плоскости необходимо подставить уравнения регрессии (4.5) и (4.6) в условия (2.62), (2.69) и (2.98) и в результате чего получим следующие зависимости для условий, обеспечивающих курсовую устойчивость машины в продольно-вертикальной плоскости: — при отсутствии буксования ходовых колес:
Решения полученных условий (4.8), (4.9) и (4.10) относительно подачи на нож S позволят определить ее критические значения с учетом твердости почвы.
В результате для выражения S из условий (4.8), (4.9) и (4.10) и необходимых преобразований получим следующие зависимости: — при отсутствии буксования ходовых колес СМПФ: 5 -К0х +KlxP-Fekc(l-Kl)+f{KlFs -KQz -KlzP + KUzP2) _ K2x+KnxP-f{K2z-KX2zp) Ф2Л -к2х+кПхР-/(к2:-кП:Ру — при отсутствии самопроизвольного перекатывания СМПФ: -К0х +Kup + f{KlFg-K0z-Klzp + KnzP2)+i v х) S 7 ч V q к к ; (4.12) -K2x+Kl2xp-f(K2z-KUzP) — при отсутствии качания СМПФ относительно оси ходовых колес: -к02 -KlzP+KUzP2 -К2(К0х -К1хр)+ & S -, г Ь . (4.13) -K2z+KUzp-K2(K2x-KnxP) Таким образом, полученные зависимости для подачи на нож, позволяют определять предельно-допустимые ее значения с учетом обеспечения условий курсовой устойчивости СМПФ в продольно-вертикальной плоскости в зависимости от ее режима работы, массовых и геометрических характеристик и свойств обрабатываемой почвы, определяемых ее твердостью. В полученные условия (4.11), (4.12) и (4.13) входят коэффициенты К\ и К2, которые согласно п 2.5 определяются зависимостями:
Учитывая особенности конструкции СМПФ ФС-0,85, а именно ее геометрические характеристики ( = 0,086 м; /п = 0,52 м; DK = 0,5 м; D$ — 0,42 м), режим работы, определяемый глубиной фрезерования почвы (h = 0,12 м) и коэффициент трения стали о почву (/"= 0,41), коэффициенты К\ и К для данной машины примут следующие значения: АГі = 0,174 и АГ2 = — 0,31.
Для решения уравнений (4.8), (4.9), (4.10) и (4.11), (4.12), (4.13) возникает необходимость определения коэффициента объемного смятия q.
Определение коэффициента q проводили по методике изложенной в п 3.3.4 экспериментальным путем параллельно с определением твердости почвы. В результате экспериментов между ними была установлена зависимость -q = (0,044/? + 0,0038)109 (рисунок 4.4). Таким образом, коэффициент объемного смятия q изменяется в пределах от 0,015-109 до 0,076-109 Н/м3 соответственно при твердости/? от 0,25 до 1,65 МПа.
