Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса механизации операций нарезки гребней и окучивания растений, произрастающих на каменистых почвах и анализ применяемых тех нических средств 8
1.1 Общая характеристика объектов исследования 10
1.2 Анализ конструкций окучников 16
Выводы. Цель работы и задачи исследования 40
Характеристика почв РСО - Алании применительно к вопросу совершенствования конструкций культи ваторов-окучников для каменистых почв 42
2.1 Рельеф поверхности поля 42
2.2 Определение твердости почвы 47
2.3 Каменистость почв , 55
Выводы , 63
Обоснование конструктивных схем предлагаемых технических решений 64
3.1 Корпуса окучников 64
3.1.1 Рабочий орган окучника с отвалами в резиновых амортизаторах . 64
3.1.2 Рабочий орган окучника с отвалами в виде скоб 66
3.1.3 Рабочий орган окучника с подпружиненными отвалами 69
3.2 Обоснование конструктивных схем секций и упругих стоек 71
3.2.1 Секция УС-5, с цельной упругой стойкой 71
3.2.2 Секция с составной упругой стойкой 73
Выводы. 75
Теоретические исследования по обоснованию оптимальных значений основных параметров пред ложенных устройств 77
4.1 Коэффициенты жесткости составных деталей секции 77
4.1.1 Скоба 77
4.1.2 Стойка .'. 80
4.2 Угол отклонения стойки от горизонтально действующей силы в вертикальной плоскости 85
4.3 Определение частот собственных колебаний системы. 89
4.3.1 Представление стойки как системы с одной степенью свободы... 89
4.4 Вынужденные колебания предлагаемого рабочего органа в процессе работы 97
4.5 Анализ процесса взаимодействия с камнем секции модернизированного окучника 108
Выводы 119
Экспериментальные исследования предложенных корпусов и стоек окучников 121
5.1 Краткое описание экспериментальных образцов корпусов и стоек окучников 121
5.2 Жесткость разработанных упругих стоек 128
5.3 Частота собственных колебаний разработанных упругих стоек... 135
5.4 Результаты исследования процесса взаимодействия разработанных рабочих органов с препятствиями 144
5.5 Полевые исследования предложенных технических решений 151
Выводы ' 168
Экономическая эффективность культиватора -окучника с предложенными рабочими органами 169
Выводы 176
Общие выводы 177
Предложения производству 179
Литература 180
Приложения 188
- Общая характеристика объектов исследования
- Рабочий орган окучника с отвалами в резиновых амортизаторах
- Коэффициенты жесткости составных деталей секции
- Частота собственных колебаний разработанных упругих стоек...
Введение к работе
В настоящее время в большинстве хозяйств Северо-Кавказского региона, расположенных в горной и предгорной зонах возделывания сельскохозяйственных культур, имеющаяся в наличии техника сильно изношена, ввиду чего часто выходит из строя. Одним из факторов, усугубляющих положение и способствующих интенсивному выходу из строя почвообрабатывающей техники, является засоренность почв камнями. Приобретать же камнеуборочные машины хозяйства сегодня не в силах.
К числу сельскохозяйственных машин, чувствительных к засоренности почвы камнями, относятся и культиваторы-окучники. Для обработки каменистых почв отечественными и зарубежными предприятиями освоен выпуск ряда культиваторов-окучников. Некоторые из них, для облегчения обхода камней рабочими органами, оснащаются предохранительными устройствами, что, в свою очередь, приводит к усложнению конструктивной схемы машины. Кроме того, окучники с предохранительными устройствами и жесткими стойками имеют значительное тяговое сопротивление. Для уменьшения тягового сопротивления отдельные марки культиваторов-окучников вместе с рычажными предохранителями дополнительно оснащаются упругими стойками, что позволяет снизить тяговое сопротивление по сравнению с машинами, оборудованными только предохранительными устройствами. Однако, при этом возрастает металлоемкость машины, конструктивная сложность и стоимость.
Наиболее эффективными являются последние образцы культиваторов-окучников, в которых корпуса закреплены на упругих стойках. В их конструкциях предохранительные устройства исключаются полностью, а обход препятствия осуществляется за счет деформации стоек.
Многочисленными исследованиями установлено, что рабочие органы на упругих стойках имеют меньшее тяговое сопротивление по сравнению с рабочими органами на жестких стойках и обеспечивают более качественное
5 выполнение технологического процесса. В настоящее время наибольшее
применение в конструкциях культиваторов окучников нашли многофункциональные упругие стойки типа «Vederstand». Для их производства используются высокопрочные, легированные стали, а сами стойки чувствительны к технологии их изготовления. Большие размеры стоек резко ограничивают число предприятий, способных их изготавливать, так как для этого необходимы крупногабаритные термические печи для закалки.
Вышеизложенное негативно отражается на стоимости стоек и машин в целом.
Другим серьезным недостатком этих стоек является невозможность регулирования их упругости. Так как почвенные условия на территории даже одного хозяйства предгорной зоны могут разительно отличаться друг от друга, стойки не всегда работают в оптимальном режиме. Жесткость их зачастую бывает или завышенной, или заниженной.
Имеющиеся в хозяйствах предгорной зоны культиваторы-окучники, оснащенные стандартными корпусами на жестких стойках, плохо приспособлены для работы на каменистых почвах. Поэтому модернизация этих корпусов с целью улучшения показателей работы на каменистых почвах также представляет собой большой научно-практический интерес.
На основании вышеизложенного можно заключить, что работа, посвященная разработке регулируемых упругих стоек с возможностью их изготовления из вторичного сырья, разработке и модернизации корпусов, хорошо приспособленных для работы на каменистых почвах, является актуальной.
Научная новизна Научная новизна заключается в результатах:
исследования микрорельефа засоренных камнями полей и изменения твердости их почвы, а также размерно-массовых характеристик камней;
теоретического анализа процессов взаимодействия предложенных рабочих органов с почвой и камнями, на основании, которого определены оптимальные значения их основных параметров;
- лабораторных и полевых исследований, предлагаемых образцов подтверждающих правомерность сформулированных положений и математических моделей.
Техническая новизна одного предложенного решения подтверждена патентом РФ на изобретение, заявки на выдачу патентов по остальным устройствам находятся на рассмотрении. Практическая ценность
Практическую значимость представляют модернизированные и новые образцы рабочих органов культиваторов-окучников для обработки почв, засоренных камнями. Предложенные конструкции имеют широкий диапазон регулировки и меньшее тяговое сопротивление по сравнению с серийными образцами.
Все рабочие органы разработаны в соответствии с технологическими возможностями предприятий г. Владикавказа.
Реализация результатов исследований
Результаты исследований реализованы в опытных образцах корпусов и стоек культиваторов-окучников, разрабатывавшихся и испытывавшихся с 2001 по 2005 гг.
Результаты исследования приняты к внедрению МСХ РСО-Алания и ЦОКБ Горского ГАУ для создания перспективных образцов окучников и модернизации имеющейся в хозяйствах техники.
Публикации
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах, в числе которых один патент на изобретение и одно положительное решение на выдачу патента. Апробация работы
Результаты исследований докладывались на ежегодных научно-производственных конференциях ГГАУ, СКНИИГПСХ и НПО "Горное" в 2001-2005 гг, на 2-ой международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в садоводстве"(Москва, ВСТИСП, 2003 г), на
7 1-ой международной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов
«Актуальные и новые направления сельскохозяйственной науки» (г. Владикавказ, 2005 г), на заседании НТС НСХ РСО-Алании (г. Владикавказ 2005г), на технических советах в хозяйствах.
На защиту выносятся результаты:
анализа современных конструкций рабочих органов культиваторов-окучников;
исследования некоторых физико-технологических характеристик почв засоренных камнями;
теоретических и экспериментальных исследований процессов взаимодействия новых и усовершенствованных рабочих органов с почвой и камнями;
полевых исследований машин с предложенными рабочими органами и расчета их экономической эффективности.
Общая характеристика объектов исследования
В процессе работы культиваторов-окучников их рабочие органы взаимодействуют с почвой, содержащимися в ней камнями, стеблями и корнями сорной растительности. Основными критериями оценки машины являются, прежде всего, качество выполняемого технологического процесса, энергоемкость процесса, производительность машины, которая тесно связана с надежностью и, если можно так выразиться, экологичность машины. Разумеется, все эти показатели должны способствовать более высоким значениям экономического и биоэнергетического эффектов от применения данной машины и, что особенно важно, более выгодному сочетанию показателей «цена машины - качество».
Перед началом работ по совершенствованию машины, предназначенной для эксплуатации в заданных почвенно-климатических условиях, необходимо иметь в достаточном количестве данные, характеризующие заданные объекты, с которыми взаимодействуют рабочие органы. Основными из них являются почва и содержащиеся в ней камни. Растительность, которая находится в междурядье, по степени влияния на производительность машины и ее надежность неиграет значительной роли. Тем не менее, конструкция машины обязательно должна уничтожать сорняки и хорошо от них очищаться.
Из всех показателей, характеризующих почвенные условия, к числу важнейших относится твердость почвы, ее тип и механический состав. Этим показателям уделяется наибольшее внимание со стороны разработчиков сельскохозяйственных машин. Так, например, в работах А.Е. Муравьева и А.В, Стрикунова, занимавшихся разработкой культиваторов-окучников для фермерских хозяйств, приводятся данные, характеризующие почвенно-климатические условия для Нечерноземной зоны Российской Федерации [40, 65]. Часть этих данных, приведенных в таблице 1.1, заимствована из работы М.Г. Долгановского.
Как видно из таблицы 1.1, приведенные в ней данные свидетельствуют о невысоких значениях твердости почвы. Если обратиться к трудам академи ка В.П. Горячкина, то эти результаты хорошо с ними согласуются, и их можно с уверенностью использовать для расчета силы тяги лемешного плуга.
Кроме того, эти данные позволяют провести сравнение данного типа почвы с другим, расположенным в ином регионе, что необходимо бывает для решения конкретного практического вопроса.
Вместе с тем, как справедливо в своих трудах отмечал профессор А.Б. Лурье, ввиду большого различия в методиках исследования, литературные данные по твердости почвы часто между собой серьезно расходятся. Ярким примером этому может служить сопоставление вышеприведенных данных с результатами исследования твердости почвы в междурядьях пропашных культур, которые приведены в работе [34]. Это связано с тем, что И.А. Лурье проводил опыты по исследованию твердости почв с применением мобильного твердомера конструкции ЛСХИ. Аналогичные результаты получены А.П. Грибановским при исследовании легких почв, обрабатываемых культиваторами-плоскорезами [11]. Среднее значение твердости почвы составило 0,8-4,3 мПа, что существенно превышает данные, приведенные в таблице 1Л. На наш взгляд, применение мобильных твердомеров следует признать весьма полезным, так как наряду с данными о твердости почвы в динамике обработка осциллограмм позволяет изучить внутреннюю структуру процесса изменения твердости почвы при заданных значениях скорости движения и глубины хода твердомера.
В связи с изложенным, изучение твердости почвы в динамике на полях, засоренных камнями и расположенными в предгорной и горной климатических зонах Северного Кавказа, представляет собой большой научно-практический интерес.
К числу главнейших факторов, оказывающих большое влияние на качество обработки почвы сельскохозяйственными машинами, относится рельеф почвы. Результаты исследования рельефа почвы, полей различных регионов приводятся в многочисленной литературе [37, 34, 35, 11, и т.д.]. Почти во всех случаях данные подвергаются спектральному анализу, что позволяет выделить из всей совокупности гармоник наиболее значимые. Зная наиболее значимые частоты можно уже заранее судить о том, как поведет себя известная машина в данных условиях или определить наиболее рациональные значения основных параметров вновь проектируемой машины.
Рельеф поверхности в некоторых случаях может с большой степенью точности апроксимироваться гармонической функцией sin или cos. Так, изучая профиль колеи трактора в садах, С.Х. Плиевым были получены профило-граммы которые с достаточной степенью точности описывались выражением [48]: о где q0- амплитуда волны; vM - поступательная скорость машины; /0 - длина волны; / - абсцисса точки, для которой определяется q. Средние значения параметров уравнения составили q0 — 0,024 м, /0 = 0,962 м. Большой вклад в изучения профилей поверхностей полей и дорог внесли разработчики тракторов. В частности, в работе [12] рекомендуется, наряду с результатами натурного эксперимента использовать коэффициент «относительной вредности фона рп». В качестве основного фона им принята стерня озимой пшеницы, для которой рп -1. Значения коэффициента «вредности фона» приведены в таблице 1.2.
Рабочий орган окучника с отвалами в резиновых амортизаторах
Данный рабочий орган - корпус ОК-1 (рисунок 3.1) оснащен прутковыми отвалами. Один конец каждого прутка Г образно загнут и помещен в резиновый амортизатор, а все прутки крепятся к груди отвала, выполненного из уголка при помощи профильной пластины и являются сменными. Шаг расстановки прутков равен диаметру прутка. Свободные концы прутков размещены с шагом, равным двум диаметрам прутка. Такое конструктивное выполнение позволяет повысить качество обработки почвы, засоренной камнями, тяжелосуглинистых почв, а также улучшает очистку корпуса от сорняков.
Резиновые амортизаторы, в которые помещены прутки отвалов, способствуют увеличению продолжительности времени удара при встрече с препятствием, тем самым, снижая максимальное значение силы удара.
Рабочий орган окучника работает следующим образом. В процессе его движения в почве стрельчатая лапа подрезает слой почвы, который поднимается и поступает к прутковым отвалам, где прутки крошат почву и отводят в сторону для образования гребней. Прутки на отвалах, помещенные в резиновые амортизаторы, в процессе работы находятся в состоянии вибрации, что способствует снижению тягового сопротивления и улучшению очищаемости рабочего органа. Часть рыхлой почвы просыпается в зазор между грудью отвала и лапой, что способствует закрытию капилляров и образованию рыхлого слоя на дне борозды.
В данной конструкции нами была предпринята так же попытка осуществления подсыпки к стеблю растений наиболее влажной почвы, расположенной в нижних слоях, без перемешивания её с верхними слоями и хорошем качестве крошения.
Для этой цели прутки были размещены так, чтобы сходящая с крыльев стрелки почва попадала на прутки, перемещалась по ним как по направляющим. На данный рабочий орган получено положительное решение на выдачу патента (заявка №2003129431).
Рабочий орган окучника - корпус ОК-2, (рисунок 3.2), также оснащен прутковыми отвалами и состоит из криволинейной стойки 1, к которой крепится стрельчатая лапа 2, жестко соединенная с грудью отвалов 3, оснащенной в верхней части креплением и являющийся съемной. Это облегчает установку скоб 4, которые опираются на ребра регулировочной пластины 5, крепящейся к стойке болтами 6.
Крепление груди служит для фиксации на стойке и предварительной натяжки скоб. Крепление представляет собой прилегающие с двух сторон к стойке пластины. Пластина большего размера имеет Г-образную форму (рисунок 3.2). В верхнюю часть ее вкручивается натяжной болт 7.
С целью повышения надежности рабочего органа при работе на каменистых почвах с возможностью регулирования ширины борозды, прутки отвалов изготовлены в виде скоб из упругого материала и шарнирно закреплены в стойке, а свободные концы опираются на ребра регулировочного механизма.
При контакте отвалов с препятствиями прутки отгибаются, тем самым снижая нагрузки на стойку и элементы рамы. Использование таких отвалов способствует более эффективному рыхлению почвы, самоочищению отвалов.
Регулировочным механизмом имеется возможность перемещать прутки отвалов в вертикальной плоскости и тем самым регулировать ширину борозды. Регулировочный механизм представляет из себя пластину с загнутыми под углом ребрами. В пластине имеется два продольных отверстия, что дает возможность перемещать ее в вертикальной плоскости. Перемещение осуществляется вращением гайки, которая навинчивается на резьбу стержня пластины.
Рабочий орган окучника работает следующим образом. В процессе его движения в почве стрельчатая лапа подрезает слой почвы, который, перемещаясь по груди отвала, крошится и разделяется на две стороны. Далее почва поступает к скобам, где она дополнительно крошится. Часть рыхлой почвы просыпается в отверстия между скобами отвалов, обеспечивая рыхлый слой дна борозды, а остальная часть почвы отводится на образование гребней. При этом, почва, воздействуя на прутки, ввиду неравномерной ее плотности заставляет скобы вибрировать, что способствует лучшему ее крошению. При встрече с препятствием, скобы отгибаются и рабочий орган обходит его с меньшим тяговым усилием и меньшей нагрузкой на элементы конструкции, а миновав препятствие, скобы возвращаются в первоначальное положение.
Изменение ширины борозды осуществляется вращением гайки, на стержне регулировочной пластины, что ведет к движению пластины вверх и перемещению свободных концов скоб отвалов, которые поднимаясь сжимаются, тем самым уменьшая расстояние между крайними точками скоб и следовательно, уменьшается ширина борозды.
Коэффициенты жесткости составных деталей секции
Сам по себе расчет скобы трудностей не представляет, и он приведен в многочисленных справочниках и литературе по сопротивлению материалов [63,67,39]. Рассмотрим более общий случай, когда ветви скобы расположены под углом а. Так как скоба симметрична, то проанализируем пока половину скобы (рисунок 4.1). Сила Р на участке АВ приводит к изгибу и растяжению. По сравнению с деформациями изгиба, деформации растяжения в данном случае значительно меньше, поэтому мы ими пренебрегаем.
Витки пружины обладают собственной массой и колеблются, как следует из теории колебания пружин, по сложным законам. Однако, для проведения практических расчетов, мы часто ограничиваемся первой частотой собственных колебаний и, как следует из литературы, колебания упругих стоек хорошо описываются линейными дифференциальными уравнениями второго порядка.
В связи с этим, проработка вопроса расчета частоты собственных колебаний, с целью определения наиболее адекватной и в то же время простой математической модели, представляет собой определенный научно-практический интерес.
Как известно из теории колебаний, собственную частоту можно определить из выражения [46,47]: где с - жесткость системы в точке приведения; тпр - приведенная масса к точке приведения. В нашем случае, когда мы используем стойку без скоб, жесткость с это жесткость, рассчитываемая по выражению (4.22). Если мы используем скобы, то жесткость необходимо определять по другим зависимостям, с учетом конкретной схемы закрепления.
Как видно из рисунка 3.4, скоба 5 начинает играть своего рода роль, опоры для пружины стойки 1. Тогда с небольшой погрешностью можно предположить, что пружина работает чисто на сжатие, а скоба - на растяжение.
Для начала предположим, что стойка абсолютно жесткая. Силу упругости пружины 1 обозначим Fn а силу упругости скобы Fc, Расстояние от точки А приложения силы до места крепления скобы (точка В) - //, а от точки В до центра пружины (точка С) -12.Выражение для 14 можно уточнить. Для этого нужно учесть перемещение остальных рабочих колец. Для практических расчетов можно ограничиться поворотом второго витка (ввиду малости количества витков).
Таким образом, мы имеем все необходимые выражения для определения момента инерции по формуле (4,28),
Приведенную массу вычислим из следующих соображений. Квадрат собственной частоты при малых колебаниях:
Сравнив результаты расчета с экспериментальными данными, можем заключить, что разработанные модели вполне приемлемы для проведения соответствующих, расчетов.
В таблице 4 Л приведены результаты расчета жесткости и частоты собственных колебаний для цельной упругой стойки в варианте, соответствующему рисунку 3.4. Расчеты, проведенные для схем компоновки соответствующих рисунку 3.6, показали, что возможности регулировки упругости систем и изменения ее жесткости очень широкие и перекрывают диапазон определенный в первой главе в (7000. ..25000 Н/м.).
Необходимые для этого значения параметров стойки следующие: диаметр прута d = 28...32 мм, диаметр пружины D — 170 мм, количество витков n = 3...4. Именно эти параметры пружины стойки были заложены при расчетах для получения результатов приведенных в таблице 4.1.
Частота собственных колебаний разработанных упругих стоек...
Методика определения частоты собственных колебаний разработанных устройств, сводилась к следующему. Держатель 1, с рабочим органом 2 устанавливался на раму стенда, (рисунок 5.13). К стойке 3, крепилась тензоизмерительная пластина 4, второй конец которой жестко крепился к балке 5. Стойка рабочего органа оттягивалась и резко отпускалась, что приводило к колебаниям и деформации пластины. Тензоизмерительная пластина подавала сигнал разбаланса моста на усилитель 6, где он усиливался, а оттуда сигнал
поступал в АЦП 7. Там, электрический сигнал преобразовывался в цифровой и поступал в компьютер 8. В качестве рабочего органа на стойку устанавливался экспериментальный корпус ОК-1, с прутковыми отвалами, закрепленными в резиновых амортизаторах, масса его - 4 кг.
Затем на стойку устанавливался дополнительный упругий элемент в виде скобы, и эксперимент повторялся. Исследования проводились в следующих вариантах: 1) с одной скобой при натяжке Осм, 1 см, 2см, 3 см, 4 см, 5 см, 7 см; 2) с двумя скобами при натяжке 0см, 1 см, 2см, 3 см, 4 см, 5 см, 7 см. Все исследования проводились трехкратно.
Затем исследовалась стойка с пружиной сжатия в качестве дополнительного упругого элемента. В качестве рабочего органа нами использовался корпус с шарнирно закрепленными подпружиненными отвалами. Масса корпуса - 11 кг. На упругой стойке, количество витков которой было увеличено до 4, расстояние от носка стрелки до пружины 35-45 см.
По нашим расчетам увеличение массы и количества витков при уменьшении расстояния от центра тяжести рабочего органа до нижних витков пружины должно было незначительно повлиять на изменение частоты собственных колебаний рабочего органа в целом. Исследования проводились по вышеописанной методике в 3 вариантах: при сжатии пружины на 1 см, 2 см, 3 см. Эксперименты также проводились трехкратно.
По обработанным на компьютере данным были построены диаграммы свободных колебаний. Несколько из них, в качестве примера приведены рисунках 5.14. и 5.15.
На основании анализа диаграмм мы определили периоды колебаний Т, после чего рассчитывались круговая частота к и частота о: Из таблицы 5.4 видно, что период колебаний стойки с одной скобой при отсутствии ее натяжки равен 0,137 с, что соответствует круговой частоте k = 45 рад/с или в герцах ц = 7,2 Гц. С увеличением натяжки скобы до 6 см ( по регулировочному болту) включительно, частота колебаний немного варьирует, но в целом изменение несущественно. При увеличении натяжки до 7 см частота колебаний возрастает до 8,1 Гц.
Как видно из рисунка 5.14, в процессе колебаний четко проявляется эффект биений, т. е. влияние высокочастотной составляющей системы на низкочастотную. Период между пиками биений составляет примерно 0,9 сек, то есть встречающиеся на практике возмущения с частотой 1,1 Гц будут эффективно воздействовать на стойку.
При установке на секцию двух скоб с увеличением их натяжки наблюдается четкий рост частоты колебаний с 6,6 Гц до 8,4 Гц.
Из таблицы 5.5 видно что, при установке в качестве дополнительного упругого элемента пружины сжатия и изменения степени ее сжатия, мы имеем следующие периоды колебаний Т: при сжатии на 1 см = 0,135, 2 см = 0,132, 3 см = 0,128.
142 Отсюда круговая частота к, также имеет следующие значения: при сжатии пружины на 1 см, к = 46,5 рад/с; 2 см, к = 47,6 рад/с; 3 см, к = 49 рад/с. Частотам равна: при сжатии на I см, у= 7,4 Гц; 2 см о= 1,6 Гц; 3 см и 7,8 Гц.
Как видно из рисунка 5.15, диаграмма колебаний рабочего органа имеет вид затухающих колебаний без биений, то есть основной режим колебаний 7-8 Гц.
Все вышеописанное говорит о том, что при обработке разных типов почв, изменяя величину растяжения скоб или величину сжатия пружины, свободные колебания рабочего органа варьируют в узком диапазоне, то есть изначальная частота собственных колебаний сохраняется. Можно предположить, что во время работы окучника из-за увеличения колеблющейся массы, ввиду наличия на отвалах почвы, собственная частота будет несколько ниже. По аналитическим зависимостям главы 3, частота снизится до 4 Гц ( в зависимости от глубины обработки), то есть мы попадаем в основной диапазон частоты изменения твердости почвы, определенный в главе 2.
