Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технических решений по соблюдению глубины обработки почвы, энергосбережению выполнения технологического процесса, и обеспечению надежности работы рабочих органов культиваторов на засоренных камнями почвах 9
1.1 Особенности современных конструкций машин для обработки почвы в междурядьях пропашных культур 18
Выводы 28
2 Теоретические исследования
2.1 Теоретическое обоснование конструкции и рабочих параметров 29
2.1.1 Схемы предлагаемой культиваторной секции 2.1.2 Обоснование параметров упругой составной стойки 33
2.1.3 Обоснование параметров пружинного предохранителя 40
2.1.4 Колебания рабочего органа предлагаемой культиваторной секции 44
2.1.5 Исследование влияния вынужденных колебаний рабочего органа
предложенной секции культиватора на качество работы 50
2.2 Обоснование параметров пневматического привода 57
2.2.1 Обоснование параметров пневматической камеры 58
Выводы 65
3 Экспериментальные исследования
3.1 Исследование каменистости почв полей горной и предгорной местности РСО- Алания 67
3.2 Предварительные лабораторные исследования экспериментальных образцов многофункциональных стоек 81
3.3 Давление в пневмокамере и усилие на штоке в зависимости от его перемещения 86
3.3 Жесткость предложенных конструкций и основные параметры процесса собственных колебаний рабочего органа 89
3.5 Исследование образца предлагаемой культиваторной секции в процессе свободных собственных колебаний и при погружении рабочего органа в почву 97
3.6 Исследования процесса работы пружинного предохранителя секции в лабораторных условиях на динамометрическом стенде 102
3.7 Энергоемкость обхода препятствия разработанной конструкци ей 108
3.8 Основные результаты полевых исследований предложенных конструкций многофункциональных стоек 120
3.9 Испытания образца культиваторной секции в режиме ручного и компьютерного управления давлением воздуха в пневмоприводе
3.10 Реализация результатов исследований 132
3.11 Определение показателей качества обработки почвы 134
3.12 Описание и техническая характеристика созданного образца пропашного культиватора 136
Выводы 139
4 Экономическая эффективность предлагаемой конструкции пропашного культиватора 142
Выводы 146
Заключение 147
Список литературы
- Особенности современных конструкций машин для обработки почвы в междурядьях пропашных культур
- Схемы предлагаемой культиваторной секции 2.1.2 Обоснование параметров упругой составной стойки
- Обоснование параметров пневматического привода
- Жесткость предложенных конструкций и основные параметры процесса собственных колебаний рабочего органа
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются различные конструкции культиваторов. Для снижения энергоемкости процесса обработки почвы и для обхода небольших камней рабочими органами в конструкциях таких машин применяют упругие стойки и предохранительные устройства.
Недостатком большинства машин является отсутствие в их конструкции эффективных устройств для регулировки жесткости упругих стоек.
При большой жесткости последних снижается амплитуда их колебаний и увеличивается энергоемкость процесса обработки почвы. При недостаточной жесткости нарушается глубина обработки.
Имеющиеся в ряде конструкций пропашных культиваторов устройства для регулировки жесткости упругих стоек на практике очень неудобны. Регулировка каждой стойки производится индивидуально, что требует больших затрат времени и труда.
Так как нагрузка на стойку зависит от твердости обрабатываемой почвы, типа установленного рабочего органа, глубины обработки и скорости движения машины, то для максимально эффективной настройки секций с рабочими органами необходимы более простые и эффективные устройства для их регулировки, что позволит в итоге снизить тяговое сопротивление машины и обеспечит соблюдение глубины обработки.
Диапазон варьирования нагрузок на рабочие органы становится значительно шире при эксплуатации культиватора на почвах засоренных камнями.
В связи с этим весьма актуальным является создание пропашного культиватора с одновременной регулировкой секций с упругими стойками для обработки почв, засоренных камнями.
Степень разработанности темы. Для научных исследований посвященных созданию энергоэффективных почвообрабатывающих машин с вибрирующими рабочими органами не потеряли своей актуальности работы В.П. Горячкина, В.А. Желиговского, М.Н. Летошнева, В.А. Сакуна, Г.Н. Синеокова, И.М. Панова, Р.Л. Сахапова, Н.К. Мазитова, Н.Г. Кузнецова, А.Б. Кудзаева, В.П. Базарова, В.М. Азарова, В.И. Беляева, А.А. Вилде, Галлямова Р.М., Кушнарева А.С., Любимова А.И., Мацепуро М.Е., Токушева Ж.Е., С.С. Храмцова, И.В. Игнатенко, И.Н. Матвеева, В.В. Дудникова, С.Ю. Дмитриева, A.A. Дубровского, Е.А. Назарова, В.Р. Алфеева, А.С. Шайхудинова, А.М. Багирова, Н.Т. Татарова, М.А. Донченко, А.Э. Цгоева, В.А. Хадаева, К.Е. Мамбеталина, Л.Ф. Бабицкого, В.И. Ветохина, О.М. Бажева, Ш.М Григоряна и многих других ученых.
Анализом научных работ и конструкций культиваторов установлено, что они не обеспечивают соблюдения заданной глубины обработки, особенно при эксплуатации на каменистых почвах. Установлено, что амплитуда колебаний и выглубление рабочих органов, закрепленных на упругих стойках зависит от твердости обрабатываемой почвы, глубины обработки, скорости движения машины.
Для оптимальной настройки рабочих органов на условия эксплуатации, регулировка коэффициента жесткости (упругости) стойки должна быть отдельна от регулировки предохранителя, чтобы натяжка предохранителя на усилие срабаты-
вания не производилась в ущерб процессу колебаний стойки в почве (амплитуде и частоте при которой достигается максимальное энергосбережение) и не в ущерб качеству работы (равномерности хода рабочего органа по глубине). Реализация этих положений позволит повысить стабильность глубины хода рабочего органа с обеспечением снижения энергопотребления и повышением надежности конструкции.
Целью работы является снижение энергоемкости процесса междурядной обработки засоренной камнями почвы с повышением точности соблюдения заданной глубины обработки за счет применения новой конструкции пропашного культиватора с одновременной регулировкой секций.
Задачи исследования:
- разработать конструктивно-технологические схемы секций пропашного
культиватора с эффективным устройством одновременной их регулировки;
- теоретически обосновать параметры предложенных конструктивно-
технологических схем культиваторных секций с эффективным устройством одно
временной их регулировки и проанализировать процесс их работы.
- провести лабораторные и полевые экспериментальные исследования пред
ложенных технических решений с целью уточнения их параметров для снижения
энергоемкости процесса междурядной обработки засоренной камнями почвы с
повышением точности соблюдения заданной глубины обработки;
- определить экономическую эффективность предлагаемой конструкции
пропашного культиватора.
Научную новизну представляют:
полученные аналитические зависимости по определению рациональных параметров предложенной конструкции секции пропашного культиватора (параметров упругой составной стойки, пружинного предохранителя, пневматического устройства регулировки);
результаты исследований каменистости почв РСО-Алания и сравнительного анализа размерно-массовых параметров камней в горах и предгорьях для обоснования параметров и диапазона регулировки пропашного культиватора;
рекомендуемые значения давления воздуха в пневматическом приводе культиваторной секции применительно к условиям ее эксплуатации на засоренных камнями почвах в горах и предгорьях РСО-Алания; результаты экспериментальных исследований тягового сопротивления и качества работы секции, подтвердившие адекватность теоретических разработок.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны аналитические зависимости необходимые для расчета рациональных значений параметров упругой составной стойки, предохранителя и пневматической камеры секции пропашного культиватора и определены их численные значения. Предложенная конструкция позволяет автоматически регулировать коэффициент горизонтальной жесткости упругих составных стоек культиватора к условиям эксплуатации машины, снизить затраты труда и времени на ее настройку на конкретный почвенный фон. Результаты работы могут служить практической базой для создания технических средств не только для междурядной обработки почвы, но и для машин предпосевной обработки и посева с автоматической настройкой и адапта-
цией рабочих органов к условиям эксплуатации.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом-заданием МСХ РФ Горскому ГАУ от 2010 г.
Методология и методы исследования. В ходе выполнения теоретических исследований применены основы теории сельскохозяйственных машин, положения теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний. В качестве методов исследования при выполнении экспериментов использовался метод тензометрирования, действующие рекомендации, методики и стандарты для испытаний сельскохозяйственной техники. Обработка результатов экспериментальных наблюдений выполнена с применением методов математической статистики, спектрального и регрессионного анализа, а также прикладных офисных программ общего назначения и программ измерительного комплекса «ZetLab».
Положения, выносимые на защиту:
аналитические зависимости по определению рациональных параметров предложенной конструкции секции пропашного культиватора;
результаты исследований каменистости почв РСО-Алания и сравнительного анализа размерно-массовых параметров камней в горах и предгорьях для обоснования параметров и диапазона регулировки пропашного культиватора;
рекомендуемые значения давления воздуха в пневматическом приводе культиваторной секции применительно к условиям ее эксплуатации на засоренных камнями почвах в горах и предгорьях РСО-Алания;
- результаты экспериментальных исследований, подтвердившие адекват
ность теоретических разработок.
Степень достоверности и апробация результатов подтверждается достаточной сходимостью экспериментальных и теоретических данных.
Основные положения и результаты работы доложены и отмечены: на ежегодных международных научно-практических конференциях, и выставках Горского ГАУ (г. Владикавказ, 2007…2015 гг.), на втором смотре-конкурсе научных работ аспирантов высших учебных заведений МСХ РФ (диплом, г. Зерноград, 2009 г.), на финальном отборе участников программы УМНИК-2011 (почетная грамота, г. Москва, 2011 г.), на конкурсе работ на соискание премии Главы Республики Северная Осетия–Алания в области науки и техники для молодых ученых и специалистов (диплом лауреата премии Главы Республики РСО-Алания, г. Владикавказ, 2012 г.), на XII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2012» (медаль НТТМ «За успехи в научно-техническом творчестве», г. Москва, 2012г.), на международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (г. Владикавказ, 2013 г.), на выставке перспективных инновационных проектов Окружного инновационного конвента (КубГТУ, г. Краснодар, 2013 г.).
Результаты исследования реализованы в образце разработанной культива-торной секции и в опытном образце пропашного культиватора, прошедших проверку в производственных условиях в 2010 – 2011 гг. в ГОСХОЗе «Саниба» и на полях Горского ГАУ в 2012 – 2015 гг. Материалы исследований по теме диссертационной работы внедрены в учебный процесс Горского ГАУ, приняты ЦОКБ Горского ГАУ для использования Министерством сельского хозяйства РСО-
Алания при разработке перспективных образцов пропашных культиваторов для каменистых почв.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ общим объемом 9,4 п.л., в числе которых 11 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ и один патент на изобретение № 2375860 МПК A01B35/12, A01B35/24.
Особенности современных конструкций машин для обработки почвы в междурядьях пропашных культур
Для обработки каменистых почв секции машин дополнительно оборудуются системами защиты рабочих органов от поломок (рисунки 1.11 - 1.12). Крепление рабочих органов в конструкциях таких машин осуществляется при помощи подпружиненных грядилей, а также совместным использованием пружинных предохранителей и упругих стоек (рисунки 1.13, 1.16).
Таким машинам присущи схожие недостатки с предпосевными машинами. Упругие стойки также склоны к нарушению глубины, и механизм их настройки также довольно неэффективен по диапазону регулировки, затратам времени и труда.
В конструкции прицепного культиватора для междурядной обработки посевов сахарной свеклы и технических культур «Wil-Rich РТ7722» (рисунок 1.13) [65] стабильность работы по ширине захвата обеспечивается шестью передними самоустанавливающимися колесами.
Рабочие органы устанавливаются на параллелограммно закрепленных на раме секциях, обеспечивающих хорошее копирование рельефа.
На машине предусмотрена индивидуальная регулировка подпружиненных рабочих органов.
Анализ вышерассмотренных конструкций машин для междурядной обработки почвы, позволяет сделать вывод, что в большинстве современных конструкций используются предохранительные механизмы рабочих органов, посредством которых можно произвести настройку машин на определенные условия работы (по удельному тяговому сопротивлению). Индивидуальные устройства обеспечения вибрации в таких машинах широкого распространения не получили ввиду большой металлоемкости и сложности технологического процесса. Эффект вибрации этих машин часто обеспечивается упругими элементами предохранительных систем. Поэтому оптимальная настройка данных машин невозможна, так как сводится к выбору приоритета между эффектом вибрации (для экономии топлива), поддержанием заданной глубины (для обеспечения качества), и запасом хода предохранителя необходимого для выглубления рабочего органа (для надежности работы). Произвести компромиссную настройку, добившись одновременного максимального обеспечения трех этих факторов на практике, не удается.
С точки зрения стабильности и равномерности хода рабочих органов по глубине обработки, конструкции с жестким креплением стоек рабочих органов предпочтительнее машин оборудованных системой защиты (с шарнирным креплением стоек), однако по энергосбережению, обеспечению надежности, и приспособленности к работе в различных условиях, в том числе и на почвах засоренных камнями, они значительно уступают. Для надежной работы в тяжелых эксплуатационных условиях рабочие органы таких машин должны обладать большим запасом прочности. Для районов с наличием часто встречаемых крупных камней в пахотном слое, применение машин необорудованных системами предохранения рабочих органов от поломок неэффективно.
Одним из недостатков большинства современных систем предохранения рабочих органов, значительно влияющим на качество процесса является отсутствие эффективных устройств регулировки и настройки машины на условия эксплуатации, вследствие чего при работе наблюдаются такие явления, как неравномерность хода рабочих органов по глубине обработки, вынос камней из подпахотного слоя на поверхность, а также огрехи и пропуски при срабатывании предохранительных устройств.
Способ регулировки и настройки машины по тяговому усилию рабочего органа с помощью гидроцилиндров, для адаптации к условиям работы таких машин как пропашные культиваторы - не самый лучший вариант, ввиду применения на них рабочих органов различного типа, тяговое сопротивление которых в различных условиях работы может значительно отличаться. Кроме того, применение гидравлической системы регулировки на культиваторах снижает эффективность стоек (виброэффект) и приводит к повышению металлоемкости и стоимости изготовления машины.
Исходя из проведенного обзора и анализа почвообрабатывающих машин можно заключить, что в большинстве конструкций навесных и прицепных машин для поверхностной и предпосадочной обработки почвы одинаковая глубина обработки рабочими органами поддерживается системой навески с опорными колесами и дополнительно применяемыми модулями катков, что позволяет раме двигаться параллельно опорной поверхности.
Механический способ регулировки глубины обработки при помощи просверленных в стойках опорных колес отверстий, либо винтовых механизмов или гидроцилиндров установленных на опорных колесах позволяет устанавливать раму параллельно обрабатываемой поверхности. Однако, при значительных значениях уклона (более 80) и неровностях рельефа обрабатываемого участка это не гарантирует равномерности глубины хода рабочих органов во время работы (не гарантирует одинакового расстояния от дна борозды до поверхности на всей обработанной площади).
Одинаковая глубина хода рабочих органов влияет на качество выполняемого процесса. Так, например, в посевных и посадочных машинах это гарантирует одновременную всхожесть посевов и прорастание семян. Поэтому большинство предпосевной техники дополнительно комплектуются устройствами для выравнивания рельефа, а машины для посева или посадки оснащаются копирующими колесами на каждой секции.
С учетом проведенного обзора и анализа машин можно заключить вывод, что среди всего их многообразия конструкций, крепление рабочих органов к раме может быть жестким, упругим, одношарнирным (грядильным), многошарнирным (параллелограммным).
При этом жесткое крепление часто применяют для рабочих органов на жестких стойках иногда оснащаемых предохранителем в виде срезных болтов. Жесткое крепление пружинных стоек позволяет рабочим органам обходить препятствия, однако при этом наблюдается непостоянная глубина обработки, что для культивации является большим недостатком.
Схемы предлагаемой культиваторной секции 2.1.2 Обоснование параметров упругой составной стойки
Опытно имея период свободных колебаний и колебаний в демпфирующей среде (почве) можно найти разницу периодов или скоростей затухания (частот).
Таким образом, для окончательного анализа необходимо было провести ряд экспериментов, по результатам которых, впоследствии, нами были определены значения коэффициента затухания колебаний п , циклических частот собственных колебаний к рассматриваемой упругой системы, а затем проведены расчеты амплитуды колебаний А0.
В целом, действительная полная амплитуда для какой-то одной частоты со будет 4 =+ 4sin( -#), (2-70) с где в - угол сдвига фаз, рад. 2.1.5 Исследование влияния вынужденных колебаний рабочего органа предложенной секции культиватора на качество работы
В общем случае амплитуда вынужденных колебаний от возмущающей силы Do [83,84] ,,2 где Р0 - амплитуда возмущающей силы, Я; с - горизонтальная жесткость колеблющейся системы, Н/м; со- цикловая частота вынужденных колебаний от действия возмущающей силы, рад/с; к - собственная цикловая частота свободных колебаний системы без затуханиям/с. При резонансном режиме работы секции в почве {со = к\ амплитуда вынужденных колебаний стойки принимает максимальное значение
Как видно из последней записи, на амплитуду вынужденных колебаний при резонансном режиме влияют: вынуждающая сила, коэффициент вязкостного сопротивления почвы и частота вынуждающей силы. При этом амплитуда увеличивается с ростом вынуждающей силы и уменьшается с ростом силы вязкостного сопротивления почвы и ростом частоты вынуждающей силы.
Таким образом, задаваясь значениями /3, Р0 и со, можно определить амплитуду 40 Тогда полное горизонтальное отклонение рабочего органа с учетом величи 51 ны возмущающей силы Р0 и среднего тягового сопротивления Рс где АРср -горизонтальная амплитуда (отклонение) рабочего органа от действия среднего тягового сопротивления, М величина максимально допустимой амплитуды, при которой отклонение рабочего органа от глубины обработки находится в пределах агротехническим требований ±0,01м.
Тогда условие агротехнического соблюдения глубины обработки при максимально разрешаемом нарушении глубины
По полученным выражениям можно легко проанализировать нашу конструкцию на соблюдение глубины обработки в различных условиях. Задаваясь в разумных пределах величиной возмущающей силы, частотой вынужденных колебаний и величиной среднего тягового сопротивления можно определить их допускаемые значения, при которых секция будет работать в пределах агродопуска без нарушения глубины в пределах ±0,01м.
По результатам научных исследований ряда ученых можно заключить, что рекомендуемая для эффекта снижения тягового сопротивления частота собственных колебаний рабочих органов на упругих подвесках и стойках не превышает 25 Гц. [85,86,87,95].
По данным полевых исследований тягового сопротивления рабочих органов образца секции культиватора КРН на засоренных камнями почвах РСО-Алания [88], стандартное отклонение от среднего значения тягового сопротивления при максимальной глубине обработки почвы не превышает: 270...313Я- для стрельчатой лапы при среднем тяговом сопротивлении 1300...1400Н; 450...470Я - для окучивающего корпуса ОК-3 при среднем тяговом сопротивлении 1376...2439Я.
Предел регулировки жесткости стойки предложенной культиваторной секции пневматическим устройством регулировки в обоих вариантах комплектации соответствует максимальному давлению в пневматическом приводе, поэтому максимальное значение жесткости стойки относительно ее горизонтального перемещения принимаем по данным тарировки секции при давлении в пневматическом приводе 0,6МПа (см. главу 3).
С учетом вышеизложенных положений, а также возможного варьирования некоторых факторов в реальных условиях работы, при проведении расчетов мы в разумных пределах задались ориентировочным диапазоном их значений: - частота вынужденных колебаний от действия возмущающей силы до 25 Гц (157 рад/с), - частота собственных колебаний до 25 Гц (157 рад/с), - значение декремента затухания до 25, - величина возмущающей силы до 600Я, - величина среднего тягового сопротивления 1400Я для грядиля со стрелкой, 2400Я для окучивающего корпуса ОК -3 и 1400Я для стрельчатой лапы с упругой стойкой, - жесткость в варианте компоновки секции упругой стойкой при давлении в пневмокамере 0,6 МПа - 30,3...33,53 И/мм, - жесткость в варианте компоновки секции грядилем при давлении в пневмокамере 0,6 МПа составляет 43,1.. .45,275 И/мм.
В процессе анализа опытно полученных данных мы выяснили, что при значении коэффициента затухания свыше 2,8 (для грядиля с ОК-3), 3,7 (для упругой стойки со стрелкой) и 3,0 (для грядиля со стрелкой), нарушения глубины по агро-допуску при выбранных параметрах уже не наблюдается (см. приложение В).
Значение логарифмического декремента затухания по экспериментальным данным составляет 8 = 1,264, откуда коэффициент затухания п = 6,294. цикловой частоты вынужденных
Подставляя данное значение коэффициента затухания и варьируя в выражении (1 и 2) значениями жесткости с, цикловой частоты свободных колебаний к, стандартным отклонением от среднего значения тягового сопротивления при максимальной глубине обработки почвы, для каждого из вариантов компоновки предлагаемой культиваторной секции нами были получены данные по амплитуде колебаний рабочего органа А и его полному отклонению А в горизонтальной ПОЛН плоскости в различных вариантах компоновки культиваторной секции (рисунок 2.9, рисунок 2.10).
Обоснование параметров пневматического привода
Цель данных экспериментов - определение работоспособности предложенной конструкции.
В соответствии с конструктивно-технологическими схемами, описанными выше, нами были изготовлены опытные образцы секции.
Методика опытов. Эксперименты проводились на разработанном и изготовленном нами динамометрическом стенде (рис.3.10). - рама стенда; 2 - винтовой механизм; 3 - динамометр; 4 - исследуемая стойка; 5 - шток пневмокамеры с установленным копиром (нажимной пластиной); 6 -пневмокамера; 7 - впускной клапан; 8 - выпускной клапан; 9 -измерительные линейки.
Схема динамометрирования образца культиваторной секции с устройством регулировки Стенд состоит из рамы 1 с винтовым механизмом 2. На внутреннем конце винтового механизма 2 закреплен динамометр 3, другим концом связанный с носком стойки 4, закрепленной на раме стенда. Средняя часть стойки 4 упирается в шток 5 пневмокамеры 6. Закрепленный на штоке рычаг расположен между впускным 7 и выпускным 8 клапанами. К впускному клапану под давлением подводится воздух от компрессора. Для измерения горизонтальных и вертикальных отклонений служат измерительные линейки 9 и закрепленный на конце стойки отвес.
Эксперименты проводились следующим образом. Носок стойки при помощи винтовой пары 2 оттягивался назад. При помощи динамометра 3 фиксировалась прикладываемое тяговое усилие, а вертикальные и горизонтальные отклонения носка стойки 4 фиксировались при помощи линеек 9.
При выглублении носка стойки, шток 5 поднимается вверх и копиром (нажимной пластиной) открывает впускной клапан 7. В пневмокамеру 6 начинает поступать воздух от компрессора, давление возрастает и шток 5, опускаясь вниз, закрывает клапан 7.
При значительном повышении давления шток 5 опускается еще ниже и открывается выпускной клапан 8. Давление в камере падает и шток 5, поднимаясь вверх, закрывает клапан 8.
Все данные отклонений и прикладываемых усилий заносились в рабочую тетрадь для последующей математической обработки. На рисунке 3.11 приведен общий вид установки с закрепленной S-образной стойкой. Результаты экспериментов.
S-образная стойка. В период проведения испытаний схема, приведенная в предыдущей главе на рисунке 2.1 со стойкой типа «Конскильде» оказалась неработоспособной. Во время проведения испытаний, ввиду значительной деформации стойки она изгибалась таким образом, что в итоге, наблюдались случаи, когда работали оба клапана - и впускной и выпускной, то есть воздух стравливался в атмосферу. Попытки надежного решения проблемы срабатывания обоих клапанов успехом не увенчались.
Стойка с упругой скобой и механическим включением клапанов. После неудачных попыток с S - образной стойкой была разработана стойка с упругой скобой. Для проверки ее работоспособности была изготовлена ее уменьшенная копия в масштабе 1:2, которая испытывалась по вышеописанной методике. Общий вид этой конструкции приведен на рисунке 3.12.
Общий вид изготовленного макета предлагаемой конструкции секции с упругой скобой, пружинным предохранителем и устройством регулировки В качестве пневмопривода для макета был использован предварительно переоборудованный автомобильный бензонасос.
Испытания по динамометрированию модели показали, что конструкция весьма неплохо срабатывает, расхождения с данными теоретического анализа не превышали 5 %. Убедившись на практике в работоспособности данной конструктивно-технологической схемы, мы приступили к постройке натурального образца (рис. 3.13).
Таким образом, фактически, нами была разработана секция культиватора, которая позволяет проводить не только междурядную обработку, но обработку паров, стерни, зяби (при оснащении стойки соответствующим рабочим органом), то есть использовать секцию, как многофункциональную.
Испытания показали, что данная система работает значительно надежнее, чем предыдущая, однако, случаи срабатывания двух клапанов все же имели место. В связи с этим, было принято решение осуществить управление клапанами не просто механическим их включением, а управлением посредством компьютера, через быстродействующий ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). В этом случае, подвод и стравливание воздуха из пневмокамеры устройства регулировки осуществляется срабатыванием электромагнитных клапанов (рис.2.2).
Первоначально, опираясь на работы американских исследователей по устройствам контроля глубины хода почвообрабатывающих орудий [91], мы решили проводить управление, замеряя нагрузку на упругой скобе, для чего датчик был размещен на ее внутренней части (рис. 2.2а). Однако при больших нагрузках, форма скобы начинала изменяться очень сильно, из-за чего возникали значительные погрешности измерения.
Таким образом, мы пришли к выводу, что управление электромагнитными клапанами на основе измерения усилий, в данных конструкциях обладает большими погрешностями.
В связи с этим было решено использовать датчик перемещения, что исключает погрешности от больших нагрузок.
Датчик перемещения представляет собой обычную стальную упругую пластину с наклеенными на нее тензодатчиками, соединенными по мостовой схеме. Пластина консольно закрепляется на раме поворотного кронштейна, а свободный конец соединяется со штоком пневмокамеры (рис. 2.26). Как только колебания штока камеры превышают допустимые значения, срабатывает впускной клапан и в пневмокамеру заходит воздух, давление внутри камеры возрастает и амплитуда колебаний уменьшается. При колебании штока в установленном диапазоне впускной клапан отключается.
Таким образом, основываясь на результатах исследований процесса работы макета предложенной конструкции, нами был разработан экспериментальный образец секции культиватора с устройством регулировки упругости стойки для обработки почв засоренных камнями.
Испытания этого образца показали его работоспособность. 3.3 Давление в пневмокамере и усилие на штоке в зависимости от его перемещения
При перемещении штока пневмокамеры, из-за своеобразной деформации диафрагмы усилие на штоке изменяется неравномерно. В связи с этим, для проведения технических расчетов крайне важно иметь экспериментальные зависимости изменения давления внутри используемой пневмокамеры и усилия на штоке в зависимости от перемещения последнего.
Методика опытов. Эксперименты проводили на вышеописанной установке, закрепив вместо упругой стойки пневмокамеру, соединив ее П-образной рамкой с тензодинамометром. Сигнал с тензодинамометра поступал в усилитель Zet 411, а затем в АЦП Zet 210. С АЦП сигнал поступал в ноутбук, в котором была загружена программа с комплекса Zetlab «Тензометр».
Пневмокамера была связана гибким трубопроводом с резервной емкостью компрессора, объем которой был равен 4 объемам пневмокамеры. В корпус пневмокамеры, был вмонтирован тройник, в отвод которого был вкручен манометр, служащий для контроля давления в пневмокамере. Эксперименты проводили при давлении от 0 до 0,6 МПа через каждые 0,1 МПа.
Опыты проводили следующим образом. В ресивере компрессора создавали нужное давление воздуха, а затем, в закрепленную на стенде камеру из него подавали воздух и кран на ресивере оставляли открытым.
После этого, при помощи винтового механизма смещали шток пневмокамеры во внутрь на 0,05ЛІ и снимали показания с манометра и тензо динамометра. Опыт повторяли последовательно, смещая каждый раз шток на 0,05;и. После достижения перемещения штока 0,05;и, камера разгружалась, в ней устанавливалось новое начальное давление и опыты повторялись.
Жесткость предложенных конструкций и основные параметры процесса собственных колебаний рабочего органа
Для предохранения системы от повышенного давления сжатого воздуха в случае выхода из строя регулятора, ресивер оснащен предохранительным клапаном шарикового типа с возможностью регулировки момента его срабатывания в диапазоне давлений 0,55... 1,05 МПа. При заданном давлении срабатывания клапан открывается, преодолев усилие пружины, и избыток воздуха стравливается в атмосферу [104]. Аналогичное устройство предохранения хорошо себя зарекомендовало в конструкциях тормозных систем грузовых автомобилей, поэтому сомнений относительно надежности его работы в созданной нами конструкции не вызывает.
1. Исследования полей горных и предгорных территорий РСО-Алания применительно к работе почвообрабатывающей техники показали, что поля характеризуются различным рельефом с вариацией уклона участков до 17.. .23%. Установлено, что на каменистых почвах расположенных на полях в горах и предгорьях встречаются участки со слабой, средней и сильной каменистостью с диапазоном вариации значений от 1,9 до 14,9%.
2. Высокие значения вариации размерно-массовых параметров и различия форм камней горных и предгорных почв свидетельствуют о необходимости применения почвообрабатывающих машин с широким диапазоном регулировок рабочих органов. Установлено, что значения коэффициентов формы Кфі и Кф2 камней горных участков могут быть соответственно выше на 33 и 19% чем на участках в предгорьях, и способствовать повышению прироста тягового сопротивления Р на 19...58,27% во время работы в горной местности по сравнению с работой в предгорьях.
3. Экспериментальными исследованиями образца предложенной куль-тиваторной секции определена зависимость изменения усилия на штоке используемой в конструкции секции пневмокамеры от начального давления воздуха ро, хода штока S, и диаметра D диафрагмы: Рк = (0,17486/?0 + 7,1 \75p0S)-D\\ + kd+kd2) + CK1S .
4. Результатами исследований по определению изменения отклонения и выглубления носка стойки рабочего органа в зависимости от прикладываемого усилия и давления в пневмокамере культиваторной секции в пределах 0,1... 0,6 МПа установлено, что предложенная конструкция обладает широкими возможностями регулировки, и может не нарушая глубины, эффективно применяться с разными рабочими органами, тяговое усилие которых не превышает 3000...3350 Я. Для варианта компоновки секции упругой стойкой жесткость изменяется от 17,7 до 33,53 Н/мм, а для варианта компоновки секции грядилем со стандартной жесткой стойкой при давлении в пневмокамере 0,6 МПа может достигать 43,1.. .45,275 Н/мм.
5. Исследованиями образца предлагаемой культиваторной секции в процессе свободных собственных колебаний и при погружении рабочего органа в почву установлено, что значение логарифмического декремента затухания свободных колебаний зависит от глубины обработки почвы, и при глубине погружения более 0,03м из-за возрастающего сопротивления, имеет место лишь частичный возврат рабочего органа и колебаний как таковых не происходит. Установлено, что при значениях давлений в пневмоприводе в пределах 0,1 ...0,6МПа, частота не изменяется, однако с применением в конструкции нижнего ограничителя упругой скобы, которым можно осуществлять ее предварительное натяжение во всех вариантах оснащения культиваторной секции частота свободных колебаний повышается. Для упругой стойки со стрельчатой лапой частота свободных колебаний доходит до значений 16,6...25Л/, для грядиля со стрельчатой лапой на жесткой стойке 16,6...25Гц, а для грядиля с окучивающим стандартным корпусом и корпусом ОК-3 -12,5..Л6,6Гц.
6. Экспериментально установлено, что предложенная конструкция обладает высокой надежностью при обходе препятствий во всех вариантах компоновки. Наличие в конструкции секции упругой скобы, обеспечивает снижение энергоемкости обхода препятствия в среднем по 3, 4 и 5 передачам на 13...20% в сравнении с вариантами комплектации с ограничением ее хода. Вариант комплектации образца секции упругой стойкой обеспечивает экономию хода предохранителя и обладает меньшей энергоемкостью обхода в среднем по трем передачам на 41...46% по сравнению с вариантом компоновки секции грядилем.
7. Полевыми исследованиями установлено, что в варианте комплектации секции упругой стойкой и скобой обеспечивается снижение тягового сопротивления: для работы с универсальной стрельчатой лапой до 18%, для окучивающего корпуса - до 35% по сравнению с вариантом жесткой компоновки при отклонении от заданной глубины обработки в пределах определенных агротребованиями (±0,01 м). Рекомендуемое значение давления в пневмокамере для работы на каменистых почвах со стрельчатой лапой и окучивающим корпусом при глубине обработки а = 9...\5см находиться в пределах 0,4... 0,5 МПа.
8. По результатам полевых испытаний созданного пропашного культиватора КРН-2,8М с одновременной регулировкой секций в полуавтоматическом и автоматическом вариантах его настройки на заданные режимы работы и конкретные условия эксплуатации установлено, что он обеспечивает высокую точность соблюдения заданной глубины обработки и качество выполнения технологического процесса (согласно ГОСТ Р 54783-2011), снижение тягового сопротивления, а также надежный обход камней встречаемых в почве рабочими органами.
Расчет экономических показателей от внедрения предложенной конструкции пропашного культиватора проведен путем сравнения показателей с базовой машиной КРН-2,8 согласно методики (см. приложение К) по ГОСТ Р 53056-2008 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки» [115].
Исходные данные по базовой модели были взяты из технических описаний, а характеристики предложенного образца пропашного культиватора - по данным испытаний в полевых условиях.
Для определения таких показателей работы как затраты времени и труда на регулировку и переналадку, при выполнении сравнительных полевых испытаний созданной конструкции пропашного культиватора с базовой осуществлялась регистрация продолжительности времени настройки культиватора при помощи механического секундомера (2 класса точности) с продолжительностью исследования свыше 5 минут.
Регулировка образца машины с ручным способом регулировки осуществлялась при помощи винтовых механизмов, а созданного культиватора - при помощи сжатого воздуха, одновременно фиксировалось время. Причем для созданной машины учитывалось время присоединения шланга к ресиверу трактора и время заполнения ресивера воздухом.
Согласно справочным данным, контроль качества и наладку работы пропашных культиваторов на протяжении смены нужно проводить до 5 раз за смену [116].
Хронометражем было установлено, что при первом проходе агрегата затраты времени на наладку и регулировку традиционным ручным способом в базовой машине составляют в среднем от 6 до 10 минут, а на регулировку новой предложенной машины - в случае применения стандартного ресивера объемом 20л и компрессора трактора МТЗ-80 с производительностью 201л/мин при холостых оборотах двигателя не превышают 1-2 минуты.