Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование направления исследований 7
1.1 Обзор и анализ конструкций косилок 7
1.1.1 Ротационные косилки 7
1.1.2 Сегментно-пальцевые косилки и двухножевые режущие аппараты 12
1.1.3 Анализ механизмов привода сегментно-пальцевых режущих аппаратов 14
1.2 Классификация косилок 21
1.3 Обзор некоторых направлений исследований процесса резания растений 24
1.4 Выводы 32
1.5 Задачи исследования 34
2. Обоснование рациональной конструктивной схемы косилки с гидроприводом 36
3. Теоретические исследования 40
3.1 Обоснование оптимальных диапазонов технологических параметров косилки 40
3.2 Сравнительный анализ режимов процесса резания для различных конструкций режущих аппаратов 56
3.3 Обоснование шага цепи и диаметра ведомой звездочки 60
3.4 Обоснование величины предварительного натяжения цепи 60
3.5 Обоснование диаметра паразитной звездочки и шага сегментов 63
3.6 Обоснование диаметра ведущей звездочки и типа гидродвигателя 67
3.7 Выводы 70
4. Лабораторные исследования 71
4.1 Лабораторная установка для определения усилия резания стеблей растений 71
4.2 Методика проведения лабораторных исследований 75
4.3 Результаты лабораторных исследований 78
4.4 Выводы 91
5. Экспериментальные исследования 93
5.1 Разработка экспериментального образца косилки 93
5.2 Обоснование оптимальных значений технологических параметров экспериментальной косилки 100
5.2.1 Методика постановки многофакторного эксперимента 100
5.2.2 Оптимизация параметров экспериментальной косилки 109
5.3 Результаты испытаний экспериментальной косилки 121
5.4 Выводы 126
6. Экономическая эффективность использования результатов исследований в сельскохозяйственном производстве 127
6.1 Методика расчета экономической эффективности 127
6.2 Результаты расчета экономической эффективности 130
Общие выводы 135
Список использованной литературы 138
Приложения 145
- Сегментно-пальцевые косилки и двухножевые режущие аппараты
- Обоснование оптимальных диапазонов технологических параметров косилки
- Лабораторная установка для определения усилия резания стеблей растений
- Обоснование оптимальных значений технологических параметров экспериментальной косилки
Введение к работе
Одной из важнейших операций в цикле возделывания сельскохозяйственных культур является его завершающий этап - уборка урожая.
В технологии заготовки большинства видов кормов первой операцией является кошение. В настоящее время операция кошения полностью механизирована. Разработано и производится множество разнообразных ротационных и сегментных косилок.
Широкое распространение получили ротационные косилки. Ротационные косилки обладают рядом преимуществ, в т. ч.: повышенной производительностью, простотой конструкции режущего аппарата и привода. Однако в расчете на единицу работы, ротационные косилки потребляют гораздо больше энергии, чем сегментно-пальцевые. Качество среза растений ротационными косилками значительно ниже.
Одним из недостатков, по которому сегментно-пальцевые косилки уступают ротационным, является динамическая неуравновешенность режущего аппарата и механизма привода. Этот недостаток устранен в конструкции косилки с гибким бесконечным элементом, выполненным, в частности, в виде роликовой цепи с установленными на ней сегментами.
Особенности косилки с цепным ножом таковы, что становится возможным снабдить ее гидроприводом. Таким образом, могут быть устранены вредные знакопеременные инерционные силы, как в режущем аппарате, так и в механизме привода.
Косилка с цепным ножом мало исследована, и потенциал ее раскрыт не полностью. Отсутствует научное обоснование ее параметров. Исследование косилки с такой конструктивной схемой приведет к раскрытию новых ее возможностей. Поиск новых, более прогрессивных конструктивных технологических решений, позволяющих создать машину для скашивания трав, отличающуюся лучшими эксплуатационно-технологическими параметрами, является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является совершенствование косилки с бесконечным носителем режущих элементов и гидроприводом, обоснование ее конструктивных и технологических параметров.
Объектом исследований является косилка с бесконечным носителем режущих элементов и производимый с ее помощью, технологический процесс кошения травянистых растений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- усовершенствованная конструктивная схема косилки, обоснованная на
основании разработанной классификации;
формулы, определяющие рельеф стерни скашиваемой травы и, построенная на их основе, диаграмма рельефа стерни;
результаты теоретических исследований по обоснованию основных конструктивных и технологических параметров косилки;
результаты лабораторных исследований по определению зависимости усилия резания растений от способа резания;
математические модели, описывающие зависимость расхода горючего от технологических параметров исследуемой косилки, полученные в результате постановки многофакторного эксперимента;
оптимизированные в результате многофакторного эксперимента значения технологических параметров косилки с гибким бесконечным режущим элементом.
Научная новизна работы заключается в разработке подробной классификации конструкций косилок по их основным признакам; разработке диаграмм рельефа стерни травы, скашиваемой косилкой с гидроприводом; разработке математических моделей для теоретического обоснования оптимальных конструктивных параметров косилки; установлении зависимостей усилия резания от способа (рубящего, скользящего) резания для разных видов культур растений; разработке новой конструкции косилки с ножом на основе бесконечного гибкого элемента и гидроприводом.
Предложенное техническое решение оформлено в виде заявки на получение патента №2005137503 от 30.01.06г., положительно прошедшей предварительную экспертизу.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты теоретических и лабораторных исследований, а также определенные в результате проведенного многофакторного эксперимента оптимальные значения технологических параметров, рекомендовано использовать при проектировании и эксплуатации косилки с ножом на основе гибкого элемента и гидроприводом.
Разработанная и изготовленная на основе результатов исследований косилка с гидроприводом нашла применение в фермерском хозяйстве.
Работа выполнена в Горском государственном аграрном университете с 2002 по 2006 год.
Работа изложена на 162 страницах, содержит 47 рисунков, 18 таблиц, 90 наименований использованной литературы в т.ч. 8 на иностранных языках и 7 приложений.
Сегментно-пальцевые косилки и двухножевые режущие аппараты
В сегментно-пальцевых косилках используется режущий аппарат с подпорным принципом резания (рисунок 1.2а). Режущим элементом в этих косилках является сегментный нож, а функцию подпора выполняет неподвижный относительно машины пальцевый брус. В процессе работы сегмент подводит растение к пальцу и срезает его. Если пальцы снабжены перовидными отростками, то в момент среза стебель опирается на две опоры. Это исключает возможность отклонения стебля от вертикали в поперечном направлении. Пальцы могут быть выполнены с противорежущей пластиной и без нее. В режущих аппаратах, предназначенных для уборки толстостебельных культур (кукуруза, подсолнечник), применяют пальцы без перовидных отростков.
К основным геометрическим и кинематическим параметрам относятся: шаг сегментов, шаг пальцев, ход ножа. В зависимости от соотношений этих параметров различают режущие аппараты нормального резания с одинарным пробегом ножа, а также аппараты низкого и среднего резания.
Так же, как и ротационные, различные конструкции сегментно-пальцевых косилок не имеют принципиальных различий между собой. Основные различия касаются компоновки отдельных узлов косилки и способа навески на трактор в зависимости от назначения и условий эксплуатации.
Гудобин В.Б. приводит анализ различных конструкций мелиоративных косилок [39]. Он отмечает, что, несмотря на ряд достоинств ротационных косилок, сегментно-пальцевые аппараты отличаются своей универсальностью. В частности, они могут работать не только на сухих площадях, но и при частичном, или даже полном, погружении в воду.
Сегментно-пальцевые аппараты незаменимы в конструкциях жаток зерноуборочных комбайнов. Ротационные аппараты не могут быть использованы для уборки зерновых культур, т.к. наличие ударных воздействий режущих элементов на хлебную массу приводит к вымолачиванию зерна на корню, а значит к повышению потерь урожая.
При уборке естественных или сеяных трав на сено важное значение имеет качество среза, т.к. от этого зависит рост отавы на второй укос. В этом аспекте ротационные косилки значительно уступают сегментно-пальцевым.
Режущий аппарат с гибким бесконечным элементом, изображенный на рисунке 1.26 тоже относится к числу сегментно-пальцевых. Гибкий бесконечный элемент в виде ремня или роликовой цепи с сегментами, размещен на шкивах, ролах или звездочках. Прямолинейные ветви гибкого элемента совершают равномерное прямолинейное движение. В зоне рабочей ветви установлены пальцы. Подобный режущий аппарат мало исследован.
Двухножевой режущий аппарат (рисунок 1.2в) снабжен двумя сегментными ножами с аппозитивным движением. Каждый сегмент одновременно выполняет роль, и режущего элемента, и подпора. Перемещение каждого ножа за один ход при равных срезаемых площадках в двухножевом аппарате меньше, чем в сегментно-пальцевом. Силы инерции связаны с величиной амплитуды колебаний движущихся масс. Поэтому инерционные силы, возникающие в двухножевом аппарате меньше, чем в сегментно-пальцевом. Кроме того, двух-ножевые аппараты гораздо лучше уравновешены динамически. Основным недостатком двухножевого режущего аппарата является сложность конструкции механизма привода ножей.
Важнейшей частью косилок является механизм привода рабочих органов. В большинстве случаев механизм привода сегментно-пальцевых режущих аппаратов сложнее, чем сам режущий аппарат.
Существует большое разнообразие механизмов привода сегментно-пальцевых аппаратов. На основе информации, содержащейся в литературе, научных публикациях, патентной информации, а также других источников проведен обзор и анализ наиболее простых по конструкции механизмов привода сег ментно-пальцевых аппаратов [40]. Кинематические схемы механизмов представлены на рисунке 1.3.
Анализ проводился по следующим показателям: — простота конструкции; — наличие вредных знакопеременных инерционных сил, приводящих к вибрации косилки; — наличие высших кинематических пар.
Наиболее распространенный привод режущего аппарата основан на принципе дезаксиального кривошипно-ползунного механизма, кинематическая схема которого представлена на рисунке 1.3а. Для сегментно-пальцевых косилок с возвратно-поступательным движением это наиболее простой механизм. По своей простоте кривошипно-ползунный механизм получил широкое применение во многих машинах там, где необходимо преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное. Может показаться, что существуют более простые механизмы преобразования, например кулачковый. Однако кулачковые или подобные механизмы содержат высшие кинематические пары. Высшие кинематические пары - это детали, имеющие сопряжение в одной точке или линии, поэтому подвержены трению более сильно чем низшие, и как правило, конструкторы стараются заменить их сочетанием звеньев с низшими парами, что приводит к усложнению механизма.
Основным недостатком кривошипно-ползунного механизма привода для сегментно-пальцевого аппарата является его динамическая неуравновешенность [41,44]. Кривошип и нож могут быть уравновешены полностью с помощью противовесов, совершающих вращательное или колебательное движение в противофазе, но это приводит к значительному увеличению массы и усложняет механизм. Полностью уравновесить шатун не удается, хотя частично это достигается.
Обоснование оптимальных диапазонов технологических параметров косилки
От соотношения относительной скорости ножа Ун и поступательной скорости движения машины Ум зависят такие показатели работы режущего аппарата, как - равномерность нагрузки на кромку лезвия ножа; - рельеф стерни скошенной травы; - степень скольжения растений вдоль кромки лезвия ножа.
Для анализа равномерности нагрузки на кромку ножа исследованы траектории абсолютного движения ножей. Возможны три случая режима совместной работы ножей. Схемы движения ножей для этих случаев представлены на рисунке 3.1.
В первом случае (рисунок 3.1а) соотношение скоростей ножа и машины таково, что между шлейфами Si и 5 кромок лезвий двух соседних ножей 1 и 2 остается площадь S3.
Растения, находящиеся на этой площади, в дальнейшем отгибаются межпальцевым участком бруса. Затем эти растения последующим ножом отгибаются к противорежущей пластине и пучком перерезаются.
Во втором случае (рисунок 3,16) зоны шлейфов Si и . примыкают друг к другу с общей границей.
В третьем случае (рисунок 3.1 в) шлейфы Sj и . накладываются друг на друга, образуя общую зону площадью S4.
Очевидно, что наиболее рациональным режимом является второй вариант. Образование пучков, наблюдаемое в первом случае, из-за наличия ударных нагрузок на нож. Кроме того, перерезание пучка каждый раз приходится на одну и ту же зону кромки ножа, что приводит к неравномерному ее износу. В третьем случае кромка ножа загружена не по всей длине, и некоторый ее участок работает вхолостую.
Таким образом, исходя из условия равномерности нагрузки на кромку ножа, наиболее оптимальным является соотношение скоростей, определяемое формулой (3.3). Как видно, в правой части равенства присутствуют геометрические параметры элементов режущего аппарата.
Определим оптимальное значение к с позиции равномерности рельефа стерни скошенной травы. Для этого воспользуемся расчетными схемами, изображенными на рисунках 3.3 и 3.4.
Сегмент 1 в очередном межпальцевом пространстве вступает в работу как только нижний конец рабочей кромки сравняется с краем кромки противоре-жущей пластины в точке Шз. После этого точка тз сегмента перемещается в положение ni4. Другой конец кромки совершает путь тіГПг и отклоняет растение, находящееся в точке ті до точки т.2 на высоте Я. При этом условлено, что угол между вектором абсолютной скорости сегмента и линией кромки не превышает угла трения, а значит, отсутствует проскальзывание растения по кромке. Таким же образом к точке mj будут отклонены все растения, расположенные на линии тіпіг- Эти растения будут срезаны в точке т2.
На рисунке 3.4 построена диаграмма рельефа стерни вдоль линии т . Из выражения (3.4) видно, что диаграмма имеет криволинейный вогнутый характер.
В процессе поступательного движения машины, встречающиеся на пути пальцев растения отклоняются ими по обе стороны, что приводит к увеличению высоты их среза. Однако отношение ширины пальца к высоте среза незначительно, и увеличение высоты стерни по этой причине не превышает 2%, поэтому этот фактор в расчетах не учтен.
В связи с этим диаграммы рельефа для отклоненных пальцами растений, расположенных на участках, тої f 2 и ті Шо2, имеют прямолинейную горизонтальную форму.
Построенная диаграмма справедлива для любого сечения стерни в зоне тіт2гпзт4 вертикальной плоскостью, параллельной к прямой т .
Лабораторная установка для определения усилия резания стеблей растений
В результате поисковых опытов было выявлено, что, с точки зрения энергозатрат, одни виды растений целесообразней резать в скользящем а другие в рубящем режиме режущего элемента.
Для проверки этой гипотезы в лабораторных условиях требовалось исследовать зависимость энергозатрат от способа резания: скользящего и рубящего. Для оценки энергозатрат необходима информация о величине работы резания. Однако работа непосредственно связана с силой резания, и, для сравнительной оценки энергетических показателей, достаточно определить усилие резания растений различных культур при различных режимах, заложенных в конструкции режущего аппарата, описанного в разделе 2. Для имитации процесса резания предложенным режущим аппаратом разработана и изготовлена лабораторная установка, схема которой изображена на рисунке 4.1. Общий вид установки представлен на рисунке 4.2, а на рисунке 4.3 - фрагмент установки.
На плоском основании 1 (рисунок 4.1) неподвижно установлены сдвоенный палец 2 со сменными противорежущими пластинами 3 и фиксатор стебля 4. На пальце 2 неподвижно установлен в виде угловой стали направляющий элемент 5, в котором, с возможностью продольного перемещения, расположена стальная квадратная труба 6. Боковые смещения трубы 6 ограничены с помощью скобы 7. На свободном конце трубы 6 установлен тензодатчик (2ПКБ-10-200А) 8. Сигнал от тензодатчика через усилитель 9 марки ТОПАЗ-3-01 поступает на осциллограф 10 марки НІ 17. Сегменты 11 фиксируются в пазе с помощью болтов 12. Лабораторная установка укомплектована двумя сменными сегментами, один с гладкой кромкой лезвий, другой с насеченной (рисунок 4.4), и двумя сменными противорежущими пластинами, тоже с гладкой и насеченной заточкой (рисунок 4.5). Проведена тарировка тензодатчика график представлен в Приложении А. В отличие от стандартных, угол гладкой заточки противорежу-щих пластин равен 30, что несколько ниже, чем у стандартного сегмента.
Для проведения опытов отбираются образцы низкостебельных и высокостебельных травянистых растений. Растения срезаются на высоте ниже агротехнической высоты среза. Образцы отбираются таким образом, чтобы для каждого вида растений были сформированы по пять групп с примерно равным диаметром стебля в группе. Значения диаметров в группе должны быть в диапазонах, не превышающих 0,4 мм. Интервалы значений диаметров между группами должны быть, по возможности, максимально равными. Диаметр стеблей измеряется индикаторным измерителем, изображенным на рисунке 4.6. При измерении диаметра на стебель действует усилие, не превышающее 40 г. Наконечник индикатора снабжен плоским упором, диаметром 15 мм. Таким образом увеличена площадь контакта и деформация, которую испытывает стебель, не превышает 3%.
Стебель растения устанавливается в фиксатор 4 лабораторной установки (рисунок 4.1). Растение срезается усилием руки. С помощью тензодатчика 8, осциллографом фиксируется усилие резания. В конце серии опытов определяются максимальные значения усилия резания Р,-.
Опыты проводятся при двух вариантах сочетания режущих элементов: первый - сегменты с гладкой кромкой, противорежущая пластина с насеченной; второй - сегменты с насеченной кромкой, противорежущая пластина с гладкой. Значения Р( записываются в таблицу. Результаты поисковых опытов показали, что для резания высокостебельных трав целесообразно скользящее резание, а для низкостебельных - рубящее.
Принцип биологической целесообразности ставит высокостебельные травы перед необходимостью увеличивать прочностные характеристики стебля, т.к. чем выше растение, тем больше динамические и статические нагрузки оно испытывает. В своей работе СИ. Рустамов [51] так анализирует принцип формирования прочностных характеристик стеблей растений. Живой организм, как и инженерное сооружение, при одинаковом материале и соблюдении геометрического подобия, чем крупнее, тем менее надежен по прочности.
Стебель растения как орган, несущий его массу, представляет собой консольную, вертикально расположенную балку, конструкция которой в высшей степени совершенна и тем сложнее, чем большие нагрузки ей приходится воспринимать. Строится он монолитно из ряда тканей, причем каждая из них выполняет свои функции и имеет свои прочностные качества. Распределение тка ней в поперечном сечении обуславливается нагрузками, воспринимаемыми растением.
Прочность стебля обеспечивается специальными армирующими волокнами. Их физико-механические свойства высоки: по пределу прочности не уступают стали. Свежие волокна отличаются от металлов более высокой растяжимостью, незначительным различием между пределом упругости и пределом прочности.
Таким образом, прочность, необходимая для конкретного вида растений достигается количеством армирующих волокон. Отсюда вывод: чем выше растение, тем больше волокон должен содержать его стебель.
Перерезание стебля может быть осуществлено рубящим или скользящим способом воздействия режущего элемента. Скользящее резание может происходить при разных значениях коэффициента скольжения и для каждой культуры растений может иметь свое оптимальное значение коэффициента скольжения. Коэффициент скольжения є зависит от угла а наклона кромки лезвия режущего элемента. Можно определить оптимальные значения є для каждого вида растений и менять угол а в зависимости от скашиваемой культуры. Однако, конструкция режущего элемента с регулируемым углом наклона кромки оказалась бы неоправданно сложной. В данной работе использованы стандартные, прошедшие многочисленные испытания, режущие элементы - сегменты и про-тиворежущие пластины. При этом растения по своим физико-механическим свойствам разделены на две группы, и оптимизация процесса резания проводится для каждой из этих групп. В виду того, что высокостебельные культуры содержат больше армирующих волокон, для их срезания целесообразней применять скользящее воздействие режущего элемента. Низкостебельные культуры испытывают меньшие динамические и статистические нагрузки. Поэтому стебли таких растений содержат меньше армирующих волокон. В этом случае целесообразней резать стебли рубящим способом
Обоснование оптимальных значений технологических параметров экспериментальной косилки
При разработке методики проведения опытов многофакторного эксперимента использована стандартная нормативная документация [72,73].
Опыты проводятся отдельно для каждой из двух групп растений. В первую группу входят клевер и злаковые, а во вторую такие как ромашка, крапива, амброзия и репейник. Основные требования к участку выбираемому для проведения опытов: - максимальная равномерность травостоя по площади проведения испытаний; - крутизна склона на отдельных участках не более 5; - отсутствие засоренности камнями и другими инородными объектами. Для проведения серии опытов, предназначенных для одной из групп растений, выбирается участок, на котором доля растений этой группы составляет не менее 95%.
Расход горючего на проведение одного опыта определяется известным методом с помощью мензурки. Мензурка объемом 200 мл посредством штуцера в нижней части, с помощью эластичной трубки сообщается с всасывающей магистралью топливного насоса трактора. Мензурка неподвижно в вертикальном положении устанавливается на кабине трактора выше топливного насоса. Цена деления мензурки 0,5 мл.
На старте гона, при неработающем двигателе трактора, уровень дизельного топлива в мензурке устанавливается на отметке 200 мл. Запускается двигатель при выключенном гидромоторе косилки, и выдержав минимально возможную паузу, тракторист начинает движение агрегата. В конце гона (обозначен колышком) тракторист останавливает агрегат и глушит двигатель. По шкале фиксируется объем оставшегося дизельного топлива в мензурке.
Определяется удельный расход горючего на реализацию опыта, кг/га 0j(200-CM)pr в где См - остаток горючего в мензурке в конце опыта, согласно шкале, мм; Рг - плотность дизельного топлива, кг/дм (в среднем рг = 0,84). Для соблюдения фактической ширины захвата, согласно уровням варьирования этого фактора, вдоль направления гона с интервалом 5 м устанавливаются колышки на расстоянии А от границы между стерней и нескошенной площадью А=Д-в, где Д - расстояние между правым краем следа правого переднего колеса трактора и условным следом правого крайнего пальца режущего аппарата, м.
В процессе проведения опыта фактическая ширина захвата будет обеспечена в том случае, если правая боковая поверхность правого колеса трактора движется по линии колышек. 104 Уровни варьирования скорости движения агрегата выбирают таким образом, чтобы двигаясь на определенной передаче, двигатель работал на оптимальных оборотах коленчатого вала.
В данном эксперименте выбраны скорости движения агрегата 7,2; 8,9; и 10,6 км/час. Такие значения скорости для трактора МТЗ-80, согласно его эксплуатационным характеристикам, обеспечиваются при оптимальных оборотах коленчатого вала двигателя на III, IV и V передачах КПП.
Для обеспечения установки скорости движения сегментов VH в соответствии с уровнями варьирования этого фактора, механизм привода косилки снабжен двумя дополнительными сменными звездочками диаметром 177 и 101 мм с числом зубьев, соответственно, 35 и 20. При этом цепь имеет дополнительные соединительные замки для изменения ее длины. С целью снижения трудоемкости исследований все опыты разделены на три группы, в каждой из которых скорость движения сегментов находится на одном уровне варьирования. В этом случае требуется минимальное число замен звездочки. Результаты опытов, т.е. значения Q, фиксируются в матрице плана.
Ввиду того, что опыты трудоемки, для проведения эксперимента выбран трехуровневый план Бокса-Бенкина, так как он, в сравнении с ортогональными и ротатабельными, более экономичен по числу опытов и обладает их свойствами [74].
На основании предварительных экспериментов и результатов исследований других авторов выбираются уровни и интервалы варьирования факторов. В качестве критерия оптимизации принимается расход горючего на единицу работы Q кг/га.
Порядок обработки результатов эксперимента следующий [74...78]. Процесс кошения с достаточной точностью можно аппроксимировать полиномом вида:
