Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и основные задачи исследования 12
1.1 Анализ материально-технического обеспечения АПК 12
1.2 Обзор исследований в области совершенствования почвообрабатывающих машин и орудий 14
1.2.1 Усовершенствование пассивных рабочих органов 14
1.2.2 Комбинированные орудия с дополнительными активными рабочими органами 16
1.2.3 Орудия с рабочими органами-движителями 23
1.3 Обоснование выбранного направления работы 29
1.4 Конструкция ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями 42
1.5 Цели и задачи 46
2 Методика расчета силовых характеристик ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями для основной обработки почвы 48
2.1 Выбор конструктивных параметров ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями на основе его кинематического анализа 48
2.2 Определение силовых показателей работы ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями 56
2.2.1 Момент сопротивления трению о боковую поверхность эллиптической лопасти ротационного рабочего органа 56
2.2.2 Результирующие силы резания почвы лезвием эллиптической лопасти ротационного рабочего органа 71
2.3 Определение потребной мощности привода ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями 79
2.3.1 Потребная мощность для привода ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями, затрачиваемой на обработку почвы боковой ее поверхностью 79
2.3.2 Потребная мощность для привода ротационного рабочего органа, затрачиваемой на обработку почвы лезвием эллиптической лопасти 81
Выводы 86
3 Программа и методика экспериментальных исследований 87
3.1 Задачи экспериментальных исследований 87
3.2 Программа экспериментальных исследований 88
3.3 Конструкция лабораторно-полевых установок 93
3.3.1 Конструкция лабораторной установки 93
3.3.2 Конструкция опытных образцов ротационных плугов 98
3.4 Приборы и оборудование 105
3.5 Тарировка датчиков 111
3.6 Методика проведения экспериментальных исследований 115
3.6.1 Методика исследований ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями 115
3.6.2 Методики исследования физико-механических свойств почвы 116
3.6.3 Методика определения влажности почвы 116
3.6.4 Методика определения твердости почвы 118
3.6.5 Методика определения качества крошения почвы 118
3.7 Оценка погрешностей результатов измерений 119
Выводы 121
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 122
4.1 Результаты лабораторных исследований 122
4.2 Влияние угла наклона эллиптической лопасти на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа 124
4.3 Влияние относительного заглубления на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями 133
4.4 Влияние кинематического параметра на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями 140
4.5 Конструктивные параметры опытного образца ротационного
плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями 147
4.6 Полевые испытания опытных образцов ротационных плугов на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями 148
Выводы 152
5. Технико-экономическая оценка работы ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями 154
Выводы 159
Общие выводы 160
Список использованных источников
- Усовершенствование пассивных рабочих органов
- Определение силовых показателей работы ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями
- Конструкция лабораторно-полевых установок
- Влияние угла наклона эллиптической лопасти на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из энергоемких операций сельскохозяйственного производства является вспашка почвы лемешно-отвальными плугами. При этом, в условиях небольших размеров площадей (0,10-0,20 гектара), строго ограниченных межевыми границами в форме изгородей или деревьев, использование тракторов с лемешно-отвальными плугами для основной обработки почвы затруднено, и во многих случаях эти участки приходится обрабатывать вручную. По сравнению с обработкой полей с большой длиной гона затраты на обработку таких участков лемешно-отвальными плугами значительно возрастают.
Одним их эффективных путей снижения энергоемкости процесса основной обработки почвы является применение ротационных плугов на базе рабочих органов в виде эллиптических лопастей, у которых горизонтальные составляющие реакций почвы направлены в сторону движения агрегата, и, таким образом, помимо выполнения технологического процесса выполняют еще и функции движителей.
Поэтому, поиск энергосберегающих технологий, новых
почвообрабатывающих рабочих органов и агрегатов является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное значение для развития народного хозяйства.
Степень разработанности темы. Теоретическими и
экспериментальными исследованиями машин с ротационными рабочими органами (фрезы, рыхлители, плуги, бороздогребнеобразователи) занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Акимов А.П., Бернацки Г., Бок Н.Б., Василенко П.М., Гринчук И.М., Гуреев И.И., Далин А.Д., Докин Б.Д., Донцов В.Б., Жук Я.М., Зволинский В.Н., Зне В., Зенин Л.С., Казаков Ю.Ф., Канарев Ф.М., Коновалов А.И., Купряшкин В.Ф., Кушнарев А.С., Лещанкин А.И., Лукьянов А.Д., Лысков А.С., Любимов Ф.С., Мазитов Н.К., Макаров П.И., Матяшин Ю.И., Медведев В.И., Некрасов П.А., Павлушин А.В., Панов И.М., Попов Г.Ф., Синеоков Г.Н., Чаткин М.Н., Шмонин В.А., Яцук Е.П. и др.
В ходе анализа установлено, что при всем многообразии научно-исследовательских работ, посвященных изучению ротационных почвообрабатывающих машин и рабочих органов, практически отсутствуют исследования, посвященные расчету силовых и мощностных характеристик ротационного рабочего органа (РРО) при широком изменении угла наклона (5 и режимов работы Л, % в зависимости от угла положения а эллиптической лопасти.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Чебоксарского политехнического института (филиала) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» по теме «Совершенствование рабочих органов-движителей для основной обработки почвы и ресурсосберегающие машинные технологии» (протокол Ученого совета №1 от 29.01.2010г.), поддержана Фондом содействия малых
форм предприятий в научно-технической сфере (контракты №12043р/22883, №311ГС2/22883).
Цель исследований - снижение энергозатрат основной обработки почвы разработкой и применением ротационного плуга, снабженного рабочими органами с эллиптическими лопастями.
Объект исследования – рабочие органы с эллиптическими лопастями ротационного плуга.
Предмет исследования - взаимосвязь угла наклона эллиптической лопасти и режимов работы ротационного рабочего органа с силовыми и мощностными характеристиками.
Научную новизну работы составляют:
- конструктивно-технологическая схема ротационного плуга на базе
рабочих органов с эллиптическими лопастями, новизна которого подтверждена
патентом РФ на изобретение;
- методика выбора конструктивных параметров ротационного рабочего
органа с эллиптическими лопастями на основе кинематического анализа;
- математические модели силовых и мощностных характеристик
ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями;
- конструктивные параметры и режимы работы ротационного рабочего
органа с эллиптическими лопастями по критерию минимальной энергоемкости
процесса основной обработки почвы.
Практическую значимость представляют:
разработанный и изготовленный ротационный плуг на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями для основной обработки почвы участков ограниченных межевыми границами;
результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть применены при проектировании, с некоторыми изменениями, и на других ротационных рабочих органах.
- почвенный канал с экспериментальной тележкой для исследования
силовых характеристик рабочих органов почвообрабатывающих машин и
адаптированная виртуальная лаборатория для генерации, записи и
воспроизведения сигналов на базе программного обеспечения «ZetLab».
Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений и законов механики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, математической статистики и разработанных авторских программ по обработке экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
- конструктивно-технологическая схема ротационного плуга на базе
рабочих органов с эллиптическими лопастями;
- математические модели взаимодействия эллиптической лопасти
ротационного рабочего органа с почвой;
- результаты лабораторных исследований зависимостей угла наклона
эллиптической лопасти и режимов работы ротационного рабочего органа на
силовые и мощностные характеристики;
- результаты производственно-полевых проверок и технико-
экономические показатели разработанного опытного образца ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями.
Реализация работы. Основные результаты исследования внедрены в сельскохозяйственный производственный кооператив «Заветы Ильича», крестьянско-фермерское хозяйство Голубева Ю.А. (Чувашская Республика, Порецкий район), учебный процесс Чебоксарского политехнического института (филиала) ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» и переданы в ООО «Эллипс-ЧПИ» (Чувашская Республика, г. Чебоксары) для проектирования ротационных рабочих органов.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печати в 12 научных работах, из них 3 статьи в источниках, включенных в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК РФ, получено 3 патента РФ на изобретение.
Личный вклад автора состоит в разработке концепции и
формулировании цели работы, определении направлений теоретических и экспериментальных исследований, определении задач, организации и проведении комплексных исследований снижению энергоемкости процесса основной обработки почвы разработкой и применением ротационного плуга -от научного поиска до реализации предлагаемых решений.
Апробация. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на II, III Республиканском конкурсе инновационных проектов проводимых Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») (г. Чебоксары 2010, 2011гг.); Научно-практических конференциях Чебоксарского политехнического института (филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени В.С. Черномырдина» (г. Чебоксары 2010-2013гг.); Научно-практических конференциях Чебоксарского политехнического института (филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (г. Чебоксары, 2014, 2015гг.); III Всероссийском конкурсе «УМНИК на СТАРТ», проводимым Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Рязань, 2012г.); Московском международном форуме инновационного развития «Открытые инновации» (г. Москва, 2012г., вошел в «ТОП-100» инноваторов); IV Международном форуме «Expopriority-2012» (г. Москва, 2012г., 3-е место); IX Республиканском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, молодых ученых и специалистов «Наука XXI века» - направление «Энергосберегающие технологии и нетрадиционные ресурсы» (г. Чебоксары, 2013г., 2-е место); Международной научно-практической конференции «Продовольственная безопасность и устойчивое развитие АПК» (г. Чебоксары, 2015г., ФГБОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 234 страницах машинописного текста, включает 106 рисунков и 14 таблиц, список использованной литературы содержит 167 наименований.
Усовершенствование пассивных рабочих органов
У этих орудий функции плужных корпусов сохраняются в основном полностью, но работа их облегчается путем установления активных рабочих органов. Дополнительные активные рабочие органы осуществляют технологический процесс (отрезают пласт почвы в продольно-вертикальной или горизонтальной плоскости, крошат пласт до отвала или после и т.д.), а также создают движущую силу по ходу движения агрегата. В 1925г. фирмой Форд (США) было начато производство плугов под названием пластоизмельчитель [108].
Плуг-пластоизмельчитель представляет собой комбинацию плужного корпуса и вертикального ротора с несколькими рядами горизонтальных ножей. Ножи ротора врезаются в поднятый отвалом пласт и измельчают его. Ротор шарнирно присоединен к раме плуга и удерживается в рабочем положении пружиной. Это дает возможность ротору при встрече с препятствием отклониться в сторону (рис. 1.2).
Фирмой М. Гаррис (США) было выпущено несколько типов аналогичных плугов под названием «пульвератор» [108]. Пульвераторы допускали пахоту на больших скоростях, чем обычные лемешные плуги, но необходимая для их работы мощность была выше на 10-15%. Испытания пульвераторов в нашей стране показали, что они удовлетворительно работали на сухих и малозадернелых почвах. В дальнейшем, плуги-пульвераторы не получили распространения и их производство было прекращено из-за недостаточного крошения пахотного слоя почвы или неполной заделки растительных остатков.
В Канаде фирмой «Фергюсон» перед корпусом плуга вместо предплужников устанавливались фрезерные секции [161, 164].
Фрезерные секции применялись в некоторых плугах не только как предплужники, но и как почвоуглубители. В качестве примера на рис. 1.3 приведена схема однокорпусного плуга с фрезерным почвоуглубителем.
Фрезерный почвоуглубитель установлен перед плужным корпусом и производит рыхление на глубину 0,25 м ниже дна борозды. Разрыхленная почва закрывается пластом почвы, обернутым плужным корпусом. Общая глубина обработки достигает 0,5 м. Фрезерование приводит к увеличению корнеобитаемого слоя и накопления влаги в почве [156, 167].
В плугах «Комбинус» (рис. 1.4) лемех и отвал корпуса плуга укорочены и ширина его захвата составляет 2/3 от ширины захвата нормального корпуса, а форма ротора подобна отрезанной части крыла. Благодаря сокращению захвата плужного корпуса и частичной передаче его функций по обороту пласта и крошению почвы ротору, тяговоое сопротивление снижается до 30%, однако, наблюдалась неудовлетворительная заделка растительных остатков [103, 159]. Известен однокорпусный винтовой плуг «Олденсворт» с горизонтальной консольной осью вращения, установленной перпендикулярно направлению движения [58]. Поднятый лемехом пласт почвы режется на куски вращающимися лопастями, отбрасывается в сторону и интенсивно крошится. Результаты испытаний показали, что буксование трактора с плугом «Олденсворт» меньше, чем с обычным.
Недостатками плуга «Олденсворт» является сложная конструкция рабочего органа и неполная заделка в почву растительных остатков. Дальнейшая работа над этим типом орудий была прекращена вследствие неудовлетворительного качества обработки почвы.
В 1913г. французкому инженеру Майе и украинскому инженеру В.Г. Коробцову были выданы патенты на плуги с винтовыми рабочими органами [107]. В плуге В.Г. Коробцова установлен двухзаходный шнек диаметром 800 мм. Поверхность витков винта несколько вогнута для того, чтобы лезвие витка входило в почву под некоторым углом ко дну борозды. Наклонная поверхность витка шнека, подобно отвалу лемешного плуга, принимает подрезанный пласт почвы и оборачивает его. Качество вспашки винтовым плугом аналогично качеству вспашки дисковым.
Ввиду того, что витки шнека, подрезают пласт почвы под некоторым углом к направлению движения, сопротивление почвы резанию дает слагающую, направленную в сторону движения, снижающую тяговое сопротивление машины. Винтовая машина Майе применялась в виноградниках.
В 1937 г. в Советском Союзе был испытан экспериментальный образец спирального культиватора изобретателя Г.К. Калентьева [107]. Культиватор имел двухзаходный шнек, установленный перпендикулярно направлению движения, и приводился во вращение от вала отбора мощности (ВОМ) трактора.
Фирмой «Климакс» (США) в 40-х годах выпускалась фреза «Тиллмастер», рабочим органом которого являлся спиральный шнек, расположенный перпендикулярно направлению движения [26]. При вращении шнек сдвигал почву в сторону, частично оборачивая и перемешивая ее с растительными остатками. Недостатком этой фрезы было наличие больших осевых усилий, сдвигающих ее в сторону поля. Для уравновешивания этих усилий необходимо было ставить килевой дисковый нож, на работу которого непроизводительно тратилась энергия. Кроме того, для заглубления шнекового рабочего органа на глубину более 15 см необходимо было резко увеличить вес машины.
Если плуги «Комбинус» крошат почву на полную глубину пахоты, то японские плуги «Такакита» [163] выполняют лишь поверхностное крошение почвы на глубину, равную половине глубины пахоты или меньшую (рис. 1.5). Остальная часть вспаханной почвы остается неразрешенной, крупноглыбистой. Снижение тягового сопротивления в японских плугах, вероятно, не будет. В японских плугах совмещение пахоты с боронованием осуществляется при помощи обычных плужных корпусов и вращающихся роторов, установленных с правой стороны каждого корпуса. Роторы приводятся во вращение от ВОМ трактора через карданную и конические щестеренные передачи.
На корпусах польского плуга PF-335 лемехи имеют нормальный захват, а укорочено лишь крыло отвала [97]. Если ротор плуга «Комбинус» одновременно с оборотом пласта крошит его, то ротор польского плуга крошит почти полностью обернутый отвалом пласт почвы.
Определение силовых показателей работы ротационного рабочего органа с эллиптическими лопастями
В результате проведенных теоретических исследований в области выбора оптимальных конструктивных параметров на основе кинематического анализа, определения силовых и мощностных характеристик рабочего органа в зависимости от угла поворота а эллиптической лопасти были получены условия, для решения которых необходимо установить влияние режима работы и угла наклона эллиптической лопасти РРО на силовые и энергетические параметры экспериментальной установки.
Поэтому, для подтверждения и дополнения теоретических предпосылок в области влияния угла наклона эллиптической лопасти р, режимов работы , Л РРО с эллиптическими лопастями на силовые и энергетические характеристики, а также в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Чебоксарского политехнического института (филиала) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» по теме «Совершенствование рабочих органов-движителей для основной обработки почвы и ресурсосберегающие машинные технологии» (протокол Ученого совета №1 от 29.01.2010г.), договоров (соглашения) № 12043р/22883, №311ГС2/22883 с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере проведены экспериментальные исследования.
Известно, что точность и достоверность результатов зависят от правильности методики экспериментов. В связи с этим, при проведении экспериментальных исследований, были поставлены основные задачи: - разработать технологическую документацию и изготовить почвенный канал для проведения лабораторных исследований; - разработать и изготовить экспериментальную тележку; - изготовить и адаптировать образцы РРО с различными углами наклона эллиптической лопасти р для испытаний в почвенном канале; - оснастить программным обеспечением «ZetLab» почвенный канал для снятия и регистрации силовых характеристик; - разработать опытный образец ротационного плуга на базе РРО с эллиптическими лопастями и провести производственно-полевую проверку.
При составлении программы экспериментальных исследований учитывалось мнение академика В.П. Горячкина: «… следует, во всяком случае, точно определить границы испытаний и цели его, т.е. ограничиться немногими вопросами, но подробно разработать их и не задаваться всеми вообще и ничем в частности» [31].
В процессе выработки программы за основу были взяты основные этапы, которые проходит машина или орудие в процессе создания [120], а также учитывались рекомендации академика П.М. Василенко [16, 17, 18, 19].
Исходя из цели и задач исследований, была разработана программа экспериментальных работ, которая предусматривала выполнение следующего объема работ: - моделирование 3D проекций и изготовление почвенного канала, экспериментальной тележки и технологической оснастки для проведения лабораторных исследований; - проектирование и изготовление образцов РРО с различными углами наклона эллиптической лопасти р для испытаний в почвенном канале; - оснащение почвенного канала автоматизированным измерительным комплексом на базе программного обеспечения «ZetLab», ее отладка и тарировка; - изготовление токосъемника и муфты для измерения крутящего момента - изготовление тягового кольца для измерения подталкивающего усилия Для подтверждения предложенной математической модели взаимодействия РРО от угла поворота а эллиптической лопасти, изложенной в гл.2 на практике, нами была разработана программа «ExpFit». Она позволяет при заданных углах наклона эллиптической лопасти р и режимах работы Л, РРО строить и накладывать в одном диалоговом окне теоретические и экспериментальные графики. Вначале работы выбирается силовая характеристика, в нашем случае, подталкивающее усилие Rx , либо крутящий момент мкр , затем вводятся значения исходных параметров: - угол наклона эллиптической лопасти (/?); - кинематический параметр (Л); - относительное заглубление ().
Затем в правую часть вводятся значения, полученные в ходе лабораторных испытаний из приложения «Многоканальный осциллограф» программного обеспечения «ZetLab». Кликая на кнопку «Наложить» получаем графики зависимостей теоретических данных с экспериментальными значениями.
Скриншот рабочего окна, разработанной программы «ExpFit» показан на рисунках 3.1, 3.2. Сплошные кривые на этих рисунках строятся по полученным математическим моделям, а квадратиками изображаются результаты лабораторных испытаний. p _ 20 X - 3.0 t, - 0.7
Скриншот рабочего окна программы «ExpFit» измерения крутящего момента MKP В результате проведения серии опытов в почвенном канале, в которых изменялось относительное заглубление эллиптической лопасти РРО - , соотношении окружной скорости к поступательной - Я , угол наклона эллиптической лопасти - р и последующей обработки осциллограмм получены графики зависимостей математической модели эллиптической лопасти РРО от угла ее поворота а с экспериментальными данными в безразмерных единицах, приведенные в полном объеме в приложении Б на рисунках Б1 - Б18.
Почвенный канал (рис. 3.4), представляет собой короб, заполненный почвой, ограниченный по боковым сторонам четырьмя стальными листами 1. Листы 1 по периметру жестко закреплены между собой четырьмя уголками 2. На боковых стенках на высоте 200 мм с внутренней стороны почвенного канала на направляющие рельсы 3 устанавливается экспериментальная тележка 4, изображенная на рисунке 3.5, где показано ее общее устройство и 3D моделирование. На рисунке 3.6 показана экспериментальная тележка 4 в почвенном канале в натурном образце. Поступательное перемещение экспериментальной тележки 4 осуществляется при помощи мотор-редуктора 5, подключенного к сети 220 В. Частота вращения выходного вала мотор-редуктора 5 привода РРО с эллиптическими лопастями составляет 60 мин 1 [142].
К торцевой стенке почвенного канала закреплен стальной канат 7, разбитый на две части, между которыми располагается тензокольцо 8, измеряющее подталкивающее усилие Rx . Питание электрическим током мотор-редуктора привода РРО с эллиптическими лопастями осуществляется при помощи электрического кабеля 6. Основные технические характеристики экспериментального стенда приведены в таблице 3.1.
Конструкция лабораторно-полевых установок
Качество крашение почвы является важнейшим показателем обработки почвы, так как от него зависит преимущественный размер почвенных агрегатов, что, в свою очередь влияет на распределение влаги.
Качество крошение почвы определяли по стандартной методике [121]. Для этого использовали следующее оборудование: ящик для взятия проб почвы, набор сит и весы ВЛКТ-500 (рис. 3.33).
Крошение почвы определяли по пробам, отбираемым в четырех точках участка (две по ходу движения агрегата, две обратно) с площадок 0,25 м2 на глубину обработки не ранее, чем через час после прохода агрегата. Отобранные пробы разделяли при помощи специального набора решет с диаметрами отверстий, соответствующими размерам фракции почвы на следующие группы по размерам: до 1 мм; от 1 до 5 мм; от 5 до 10 мм; от 10 до 25 мм; от 25 до 50 мм; более 50 мм.
Полученные данные заносились в журнал наблюдений, по которым производилась оценка качества крошения почвы путем подсчета процентного содержания вес почвенных агрегатов, по следующей формуле: Точность и качество результатов измерений принято характеризовать указанием их погрешности, разновидность которых доходит до 30 наименований [45]. На основе этого считаем достаточным оценку следующих погрешностей: средств измерений, абсолютной, относительной, дополнительной, случайной и суммирующей.
Погрешности средств измерений регламентированы их классом точности, которые приведены в технических описаниях. Например, у интеллектуального
Погрешность проволочных тензодатчиков 2ПКБ-20-100 ГБ имеют погрешность не более 0,6% [21]. С целью уменьшения погрешностей при балансировке моста пределы регулировки не превышали ±0,3…1,0% номинального сопротивления тензодатчиков.
В ходе проведения лабораторных исследований по методике, изложенной в п. 3.2, были получены экспериментальные данные зависимостей подталкивающего усилия RX и крутящего момента мкр, приведенного к валу, на котором устанавливались РРО при относительных заглублениях = 0,3 ; = 0,5; = 0,7; различных углах наклона эллиптической лопасти р = 200; у? = 300; /? = 400 и значениях кинематического параметра Л = 2,0; Я = 2,5; Я = 3,0. Опыты проводились в пятикратной повторности. Влияние относительного заглубления , исследовались при диаметре РРО с эллиптическими лопастями D = 200 мм.
Показатели работы, предусмотренные программой исследований, определялись при абсолютной влажности почвы в слое 0-0,20 м от 18 до 21%, твердости - 0,11-0,14 МП а и гранулометрическим составе 0-25 мм.
В процессе обработки почвы передняя режущая кромка - малая полуось эллиптической лопасти РРО отрезает вертикальную стенку борозды. Точки малой полуоси эллиптической лопасти внедряются последовательно со смещением в боковом направлении от вертикальной стенки борозды. По мере вращения РРО малая полуось отрезает стружку от монолита, которая, в результате трения о поверхность ножа и дна борозды, крошится и тщательно перемешивается. В конце взаимодействия эллиптической лопасти с почвой ее хвостовая часть формирует вторую продольно-вертикальную стенку борозды в виде гребня (рис. 4.1). На боковой стенке просматривается толщина стружки и величина подачи на нож. Почва отбрасывается в направлении вектора абсолютной скорости потока частиц. Фронтальная и профильная проекции траектории частиц характеризуются параболической кривой, а горизонтальная - прямыми, расположенными относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения РРО.
Эллиптическая лопасть захватывает основную массу отрезанной и разрыхленной стружки, приподнимает ее не выше оси вращения и сбрасывает. С увеличением подачи больше длины малой полуоси эллиптической лопасти повышается транспортирующая способность, так как часть почвы перебрасывается через борозду. По мере выхода из борозды отрезанная стружка измельчается и отбрасывается под тупым углом к направлению движения, образуя гребень. С уменьшением частоты вращения вала, часть почвы начинает обваливаться обратно в борозду. Положительным свойством эллиптической лопасти является транспортирование всей срезанной стружки, в результате чего, облегчается срез последующей стружки, т.к. устраняется блокированное резание.
Влияние угла наклона эллиптической лопасти на силовые и энергетические характеристики ротационного рабочего органа
В существующих конструкциях ротационных почвообрабатывающих машин с приводом от ВОМ на одном рабочем органе устанавливают от 2 до 8 ножей. Один нож не ставят, так как для получения стружки необходимого размера пришлось бы увеличивать окружную скорость, приводящая к увеличению кинематического параметра Я , энергозатрат, нарушается балансировка. Почти не встречаются ротационные почвообрабатывающие машины с числом ножей в одной плоскости более восьми из-за больших конструктивных трудностей их размещения.
Основные критерии при выборе числа ножей - подача и гребнистость дна вскрываемой борозды, определяемые агротехническими требованиями, предъявляемыми на обработку почвы. Например, подача на один нож для ротационных плугов [82] рекомендуется в пределах 0,12 - 0,25 м. Допустимая высота гребешков согласно агротехническим требованиям для большинства ротационных почвообрабатывающих машин составляет от 0,1 до 0,2 м от заданной глубины обработки почвы.
Для обеспечения соблюдения агротехнических требований, предъявляемых к основной обработке почвы и рекомендаций, изложенных в литературных источниках [81, 145] при заданных конструктивных параметрах (угол наклона эллиптической лопасти = 20 -30 и режимах работы Л = 2-2,5 , = 0,5...0,6 , необходимо иметь четыре рабочих органа. При этом, рабочий орган с углом наклона эллиптической лопасти /? = 25 имеет ширину захвата = 0,16 м при заданном диаметре ротора.
Конструктивные параметры опытного образца ротационного плуга на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями
Основная обработка почвы на участках, ограниченных жесткими границами в условиях Чувашской Республики в основном используются тракторы тягового класса 1,4, в частности, МТЗ-80, 82 и т.п.
Рекогносцировочные испытания подтвердили возможность основной обработки почвы ротационных плугом на базе рабочих органов с эллиптическими лопастями в агрегате с трактором тягового класса 1,4 при ширине захвата В = 1,4 м (рис. 4.34). При этом, ротационный плуг оснащается 9 блоками рабочих органов. Для снижения динамических нагрузок, оказываемых на ротационный плуг, ступицы рабочих органов устанавливаются на вал со смещением 30 по фазе.
Проверка ротационных плугов РР-1 (рис. 4.33) и РР-2 (рис. 4.34) на обработке почвы в производственных условиях производились в сельскохозяйственном производственном кооперативе «Заветы Ильича» (Чувашская Республика, Порецкий район) и Крестьянско-фермерском хозяйстве Голубева Ю.А. (Чувашская Республика, Порецкий район). Перед проведением полевых испытаний производилась оценка физико-механических свойств почвы контрольных участков путем определения по изложенным в 3.6 методикам. Полевые испытания проводились на режимах работы Л = 2,0. Рисунок 4.33 – Полевые испытания ротационного плуга РР-1 Ротационные плуги РР-1 и РР-2 предназначены для пахоты под технические культуры на глубину до 25 см различных почв, не засоренных камнями, плитняком и другими препятствиями. Они агрегатируются с тракторами тягового класса 1,4 (МТЗ-80, МТЗ-82).
Ротационный плуг РР-1 устойчиво выполняет технологический процесс при вспашке супесчаной и среднесуглинистой почвы на глубину до 0,12 м. Дальнейшее заглубление РРО с эллиптическими лопастями на обработке почвы стало невозможным. Это связано с тем, что нехватка мощности героторного гидромотора приводила к заклиниванию вала, на котором крепились РРО. Кроме того, по завершению работ у ротационного плуга РР-1 наблюдалось изменение геометрии эллиптических лопастей. Это объясняется тем, что ряды эллиптических лопастей врезается в почву одновременно и несовершенство крепления РРО на валу привело к изменению геометрии. Теоретические предпосылки, описанные в гл.4.3 полностью подтвердились на ротационном плуге РР-1.
Для устранения вышеуказанных недостатков нами был разработан и изготовлен ротационный плуг РР-2 на базе РРО с эллиптическими лопастями, имеющих механический привод.
Ротационным плугом РР-2 основная обработка почвы проводилась на глубину до 0,24 м (прил. Б, рис. Б.22). По завершению работы проводилась оценка качества крошения почвы. Расход топлива замерялся «методом долива». В таблицах 4.4, 4.5 приведены сравнительные технико-экономические показатели на основной обработке почвы ротационного плуга РР-2 на базе РРО с эллиптическими лопастями с плугом ПЛН-3-35.