Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
2. Теоретические предпосыжи процесса механизированной обработки почвы способом копания
2.1 . Технологические особенности копающей почвообработки и обоснование модели взаимодействия рабочего органа с почвой 33
2.2. Кинематика рабочих органов МКП 42
2.3. Динамика процесса копания МКП 53
2.4. Уравнения равновесия машины 65
Выводы по главе 69
3. Экспериментальные исследования 71
3.1.Цель и задачи экспериментальных исследований 71
3.2.0писание экспериментальной установки 73
3.3. Погрешность измерений 79
3.3.1. Методическая погрешность измерений 79
3.3.2. Определение систематической погрешности измерений 81
3.3.3. Погрешность шкалы отсчёта в опытах 83
3.3.4. Тарировка динамометрического механизма 84
3.4.Частные методики экспериментальных исследований 85
3.4.1. Агротехническая оценка копающей почвообработки 85
3.4.2. Методика определения энергетики копания 87
4. Анализ результатов исследований 89
4.1.Условия проведения полевых экспериментов и агротехническое заключение по их результатам 89
4.2. Результаты определения параметров МКП по данным полевых экспериментов 95
4.2.1. Энергетика копания и параметры МКП 27.13.33 95
4.2.2. Энергетика копания и параметры МКП 22.1.25 102
4.3.Общая техническая характеристика синтезируемой МКП 105
Выводы по главе 107
5. Технико-экономические показатели МКП 108
5.1.Проект исходных требований на машину копающей
почвообработки МКП 22.1.25 111
5.1.1. Технико-экономическое обоснование 114
5.1.2. Расчёт производительности машины 118
5.1.3. Расчёт экономической эффективности МКП 22.1.25 121
5.2. Проект исходных требований на машину копающей почвообработки МКП27.13.33 124
5.2.1. Технико-экономическое обоснование 127
5.2.2. Расчёт производительности машины 130
5.2.3. Расчёт экономической эффективности МКП 27.13.33 133
Общие выводы
- Технологические особенности копающей почвообработки и обоснование модели взаимодействия рабочего органа с почвой
- Погрешность измерений
- Результаты определения параметров МКП по данным полевых экспериментов
- Проект исходных требований на машину копающей почвообработки МКП27.13.33
Технологические особенности копающей почвообработки и обоснование модели взаимодействия рабочего органа с почвой
В работе П.К.Иванова [31] сказано, что:"...рабочие органы почвообрабатывающих машин должны напоминать лапы роющих животных". Такой взгляд нельзя считать вполне определенным с точки зрения формы и траектории движения рабочего органа в почве.
Предлагаемый нами способ основной обработки почвы первоначально ставил единственную задачу - снижение энергоемкости рыхления почвы на глубину основной обработки. В его основу была положена идея использования преимущественно деформаций растяжения для разрушения почвенного монолита и в меньшей степени деформаций сжатия и сдвига. Из известных механических способов — копание лучше других решает эту задачу.
Усовершенствованный способ механизированной основной обработки почвы копанием (рис. 2.1) заключается в следущем: рабочий орган, геометрически представляющий собой клиновидное тело, образованное вращением на угловую величину около четверти дуги окружности заглубляют в почву от острия до основания поворотом вокруг центра его образующей окружности, при этом ось поворота лежит на поверхности почвы, затем, с некоторым разрывом во времени, дуговой клин выглубляют в направлении обработанного поля и вверх, разрушая почвенный монолит.
Наиболее близким аналогом этого способа обработки почвы является копание почвы ручным инструментом — копательными вилами. В данном примере клиновидные рабочие органы копательных вил проникают в почву по пути наименьшего сопротивления внедрению в почву, а затем поворотом рукояти скалывают фрагменты почвы от почвенного монолита в сторону разрыхленного участка поля, используя при рыхлении преимущественно деформации растяжения. Известно [69], что для разрушения почвы деформациями растяжения требуется от 2 до 10 раз меньшее усилие, чем для разрушения деформациями сжатия или сдвига.
В качестве средства механизации рассматриваемого способа обработки почвы предложена машина [17].
Почвообрабатывающие машины оцениваются, прежде всего, по показателям, характеризующим качество их работы. Изображенный на рис. 2.1 технологический цикл работы клиновидного рабочего органа могут вызвать сомнения относительно достаточности степени рыхления на заданную глубину. Движение клина (рис 2.1), определенно, разрушения в почвенном монолите произведут. Однако, его параметры, включая надежность технологического процесса, требуют специального исследования. Естественно предположить, что степень рыхления для рассматриваемого способа связана с геометрией клина, глубиной обработки, расстоянием между рабочими органами, порядком их совместной работы и почвенным фоном. В патенте [56] приводятся некоторые конструктивные особенности рабочего органа для копания (рис. 2.2 и 2.3).
При выборе формы клина рабочего органа принимались во внимание следующие условия:
1. Равнопрочность клина во всех сечениях для двух основных движений: при заглублении каждое последующее радиальное сечение от острия к осно -35 ваншо клина проходит в щель, в основном, выполненную предыдущими радиальными сечениями, с целью уменьшения потерь на резание и трение о почву; нормальные напряжения в сечениях в первом движении можно не принимать во внимание, т.к. прочность стали на сжатие, в десятки раз, превышает твердость почвы.
На рис. 2.2 каждый клин выполнен в виде тонкостенной, С-образной в радиальных сечениях, оболочки вращения. Её небольшой объём и есть та часть почвы, которая сминается при заглублении клина. Отсюда следует утверждение о заглублении рабочего органа по пути наименьшего сопротивления.
Во втором движении расчет следует вести по напряжениям изгиба. В базовом варианте реализации устройства для копания, выглубление рабочего органа из почвы осуществляется его поворотом вокруг точки основания клина. Напряжения в радиальных сечениях будут зависеть от распределения и интенсивности давления почвы на поверхность клина от острия до основания. В предварительном расчете можно применить эпюру распределения нагрузки по поверхности клина пропорциональной расстоянию от точки поворота, исходя из принципа пропорционального противодействия малым перемещениям для упругого тела. Картина реального распределения должна выявить меньшие напряжения изгиба вследствие проявления вязких свойств почвы при приближении к моменту максимальной нагрузки, особенностей формы клина и скольжения почвы вблизи контура поверхности давления клина. Из рис. 2.3 видно, что в радиальных сечениях прочность на изгиб увеличивается от острия к основанию клина.
Для базового варианта технологического процесса предполагается отрыв под действием рабочего органа фрагмента почвенного монолита и смещение его в сторону обработанного поля. При этом смещение будет со -37 провождаться некоторым поворотом фрагмента. Его окончательное положение будет определяться формой поверхности дна обработки; взаимодействием с почвенными комками окружения и их просыпанием между поверхностями разрыва; геометрией и движением рабочего органа. Надежность технологического процесса достигается при соблюдении условия более или менее единообразного сложения наиболее крупных фрагментов. Необходимо также исключить разрезание клином почвенного монолита без скалывания фрагментов, так как при этом не будут достигнуты цели рыхления, по крайней мере, в предполагаемом для базового варианта объеме.
Погрешность измерений
Методическая погрешность измерений, как отмечалось выше, связана с различием траекторий выглубления клина рабочего органа на машине и в условиях эксперимента. Адекватность эксперимента по механическому критерию подобия Бертрана определён по разнице траекторий рабочего органа на физической модели и в условиях его выглубления на МКП. При равенстве поперечной подачи, объём обработанной почвы, а следовательно и энергетика процесса, на которой основан критерий механического подобия Бертрана [43], будут соотноситься как площади очерченные остриём рабочего органа в продольно-вертикальной плоскости.
При заглублении траектории движения совпадают. Построим траектории выглубления клина рабочего органа машины для следующих параметров:
R - 250 - радиус дуги клина (мм);
R3 = 750 - радиус заднего колеса гусеничного обвода (мм); L = (%/2)R - длина дуги клина (рад). Для построения траектории душ определим координаты шарнира рабо -80 чего органа А, точки соединения рычага и клина В, а также скорость острия клина для длины дуги (%/2)R.
Координаты ха и уточки А получим из выражений (2.3)...(2.6), (2.8).
На рис. 3.4 показано выглубление клина рабочего органа установки (в 7 положениях сплошными линиями) и машины (пунктирные линии изображают 3 положения первого и 5 положений второго движения выглубления).
Траектории вьіглублєния клина,
Принятая геометрия клиновидных элементов рабочих органов в обоих случаях одинакова. Установка выглубляет клин, вращая его вокруг точки D. Машина поворачивает рабочий орган сначала вокруг точки В(1-3 положения), затем его точки перемещаются по траектории удлинённой циклоиды (3-8 положения). Перемещение поверхности давления клина, т.е. поверхности, воспринимающей в основном реакцию почвы на выглубление, как видно из рис. 3.4 для первых трёх положений установки и машины практически совпадают. Поэтому на этом участке траектории, при прочих равных условиях, должна совершаться физически одинаковая работа.
Второе движение выглубления на машине сопровождается перемещением всех точек клина по циклоиде. Здесь появляется разница с экспериментом в траекториях, на рис. 3.4 она показана заштрихованной фигурой.
Графическое определение с помощью планиметра ПЛ-М отношения площади этой фигуры к площади, очерченной клином установки при перемещении из 1 положения в 7, составляет около 6%. При этом большая её часть относится к движению острия клина над поверхностью почвы (ось ОХ) или в несвязном поверхностном слое почвы (положения 5 - 7). Учитывая, что наиболее нагруженная часть траектории выглубления соответствует первому движению, методическая ошибка - превышение измеряемой экспериментальной работы выглубления на рабочий орган из-за разницы траекторий может достичь 5м =0,3 %. Расчёт выполнен электронной таблицей ЭВМ, представленной в приложении 7.
Динамометрический механизм экспериментальной установки показан нарис. 3.5.
Стакан 3 динамометрической пружины жестко соединён с рычагом установки 2. Также жёстко соединена головка оси пружины 11 с ручкой 1. Схема динамометрического механизма применительно к расчёту систематической ошибки измерений показана на рис. 3.6.
Расчётная схема систематической ошибки установки
В состоянии покоя ручка ([DDCJ) установлена по отношению к рычагу ([D3A: ]) под углом aR. Этот угол получен как среднее между углами определяющими соответствие максимальным моментам заглубления и выглубле-ния на экспериментальных диаграммах (рис. 3.3).
Заметим, что ctR = ад+ос$. Экспериментатор должен стремиться поддерживать угол ад=а, так как при этом систематическая ошибка Sn равна нулю
В нашем случае конструктивно величина aR выполнена равной 10. Систематическая ошибка установки Sn в зависимости от aR и осд рассчитана в электронной таблице ЭВМ (приложение 3). Из этой таблицы следует, что при ошибке позиционирования силы в начале заглубления на 10, систематическая ошибка составит ±1,5%. При повороте рычага, с ростом силы заглубления FK уменьшится угол а«, а с ним и Sn. Итак, систематическую погрешность можно принять равной Sn - ±1,5%.
Результаты определения параметров МКП по данным полевых экспериментов
Рассмотрены два варианта параметров заглубления и выглубления рабочих органов. Кривизна лекала внедрения определена в виде ветви параболы, рабочий участок которой имеет вертикальную проекцию в первом случае LB = 2,5 м, а во втором Lb = 3,3 м. Коэффициенты уравнения параболы (2.15) определенны с помощью автоматизированных средств ЭВМ (Приложение 12 и 13) по трём точкам с координатами [уь ,хь): (-1;L5), (-0,85;3), (-0,7;4), т. е. дляі?з= 1м; и (-1,3; 1,5), (-1,15;3,6), (-1;4,8) дляі?3 = 1 3м. Затем, с фиксированным шагом х = 0,1 м получены значения уь по введённому полиному четвёртой степени (2.16) (приложения 12, 13). Результат: для каждого значения х - четыре решения, из которых координате уточки В рычага рабочего органа соответствует большее вещественное решение. В примере приложения 12 для х= 1,3 9у0 = 0.993971... Сводная таблицауь(х) рассматриваемых вариантов машины - два образца рабочих органов с разными параметрами их заглубления и выглубления - представлена в приложении 13.
В электронной таблице заполняются ячейки величинами, рассчитанными по соответствующим формулам уъ(х)(2Л6), хь(уъ)(2Л5), хь (уь), 9(2.17), P(2.18), \/(2.19), (приложение 20). Колонка M(\/) заполняется данными электронной таблицы экспериментальных моментов заглубления рабочего органа (приложение 14). Она представляет собой массив опытных данных в единицах шкалы отсчёта диаграммной сетки. После автоматического усреднения моментов по строкам, их результаты умножаются па цену деления -43,15 Н-м.
Последующее заполнение ячеек колонки М(\/) таблицы приложения 20 предполагает линейную интерполяцию результатов таблицы приложения 14, выполняемую с помощью микрокалькулятора. Составляющие на оси координат от мгновенных сил рзкх. рзку и моментов л зк от одного клина электронная таблица рассчитает по подинтегральным выражениям уравнений (2.12). Автоматически усреднённое значение колонок рж рзкуи мзк согласно уравнениям (2.21) необходимо умножить на количество рабочих органов JV3 одновременно взаимодействующих с лекалом внедрения Для машины с шириной захвата 8 м, продольной и поперечной подачей соответственно 0,24 и 0,32 м N3 = 372 шт.
Тогда проекции на оси координат (рис. 2.8) главных сил и момент на раму машины от заглубляющихся рабочих органов по уравнениям (2.21)
Аналогично таблице моментов заглубления рабочих органов (приложение 14) заполняется ячейки таблицы экспериментальных моментов выглубления рабочих органов (приложение 15).
Вид таблицы 2.3 показывает необходимость предварительного вычисления ряда параметров, для которых конструкцией установки предопределены координаты точки D(0,4;-l.,3) и конструкцией рабочего органа -оск = тс/2, (рис. 2.3).
Определим значения ар/2 (2.22); /р; /э; кэ; pjn[; фт2 (2.6); хро; vpo(2.28);
Далее в таблице вертикальной составляющей от сил выглубления рабочих органов (приложение 19) заполняются ячейки р, хр, ур и ф, соответ -98 ствующие первому движению выглубления. Шаг ф в таблице равен 1. Для вычисления хр, ур и фэ используются формулы (2.27). (2.28) и (2.29).
Определение тех же параметров для второго движения выглубления потребует расчёта Rp Завершив заполнение ячеек ф, хр ур и (р., таблицы приложения 19 с помощью линейной интерполяции находятся значения М( р) из таблицы приложения 15.
Наконец по формулам (2.25) и (2.26) заполняются колонки ршу иршу. Среднее значение по этим колонкам является искомой вертикальной составляющей Рвку] от одного выглубляющегося рабочего органа на раму машины. По принятым условиям для системы уравнений (2.35) .Рвку составит
Необходимая минимальная масса машины для обеспечения работы в прямолинейном установившемся движении и расстояние центра масс МКП от оси заднего колеса, в принятой ранее системе отсчёта, определяется из уравнений равновесия (2.12)
Вертикальные составляющие от сил переднего и заднего навесных устройств согласно уравнениям (4.3) разнонаправлены, для машин поверхностной обработки почвы не велики и в дальнейшем расчёте не учитываются.
Рассмотрим реакции Мрр и PQK на раму машины от сил выглубления рабочих органов. Установка позволяет оценить величину этих реакций только в части усилий, приходящихся на разрушение почвенного монолита. Скорее всего величина Рвкк будет складываться не только из сил реакции почвы на выглубление рабочих органов, но и из реакций связи с рабочими органами, расположенными перед вовлеченными в процесс выглубления. В связи с тем, что горизонтальная составляющая силы Ртх на раму машины единственная, совпадающая с положительным направлением оси ОХ (рис. 2.8), её величина будет равна сумме проекций остальных, как предполагается, известных сил.
Реактивный момент от ведущего колеса на раму машины Мрр равен и противоположно направлен моменту движущему ведущее колесо Мвк, который является единственным, совершающим положительную работу. Если Авк работа, совершаемая ведущим колесом гусеничного обвода рамы машины на угле поворота cpBK=S/R3, то из рис. 2.11 и 2.12 где S- путь, на котором силы от дополнительных рабочих органов совершают работу; А2) - работа, затрачиваемая на заглубление одного рабочего органа; Ав\- работа, затрачиваемая на выглубление одного рабочего органа; 111 - к.п.д. механизма копания;
Работа, затрачиваемая на заглубление и выглубление одного рабочего органа определена с помощью таблиц (приложения 14 и 15), как среднее значение момента, умноженное на полный угол поворота я/2.
Величины Рт и Рт приняты по справочным данным для известных машин [32]: дисковая борона 1,6...2,2 кН/м - 2 кН/м; борона пружинная 1,0... 1,8 кН/м - 1,5 кН/м ; каток кольчато-шпоровый 0,6...0,8 кН/м - 0,8 кН/м.
Для работы по стерне зерновых колосовых с выбранными машинами потребуется тяговое усилие, соответствующее трактору тягового класса 4 т. Поскольку энергетическим средством является МКП с массой 63 т и сцеплением с почвой основными рабочими органами на глубину до 27 см, понятие о буксовании движителя теряет смысл, необходимо только учесть запас мощности двигателя машины.
Проект исходных требований на машину копающей почвообработки МКП27.13.33
Самоходная машина копающей почвообработки МКП 27.13.33 предназначены для основной комбинированной обработки почвы. II. Место в Системе машин Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 гг., орудия для основной обработки почвы, комбинированные почвообрабатывающие орудия. III. Зоны применения Рекомендуется для примененияия в степных зернопроизводящих районах страны. Площадь, на которой использование МКП может быть целесообразным (территория СНГ) - 40 млн. га. Общая потребность 55 тыс. шт., ежегодный выпуск 8 тыс. шт. IV. Условия работы Влажность почвы в горизонте 0...25 см до 60% полевой влагоёмкости. Плотность почвы в горизонте 0...25 см до 1,5 г/см3. Предельный уклон поверхности до 8. Механические включения (камни, древесные остатки) размером более 7 см горизонте 0...30 см не допускаются. V. Показатели качества технологического процесса. Машина копающей почвообработки должна обеспечивать: - среднюю глубину обработки с ячеистым дном 25 см; - число комков диаметром более 5 см на 1 м2 не более 3; - допускается работа не зависимо от горизонталей местности. При установке противоэрозионных рабочих органов на навесные устройства машины, на поверхности поля должно сохраняться более 60 % стерни. Машина копающей почвообработки МКП 27.13.33 предназначена для основной обработки почвы по непаровым предшественникам. Заменяет агрегат основной и предпосевной обработки почвы К-701+ПТК-9-35. Данные для расчёта экономической эффективности, расчёта производительности и годового экономического эффекта применительно к Ростовской области, а также показатели сравнительной экономической эффективности МКП приведены в таблицах 5.1, 5.3 и 5.5. Экономический эффект получен за счёт снижения текущих затрат. Цена энергетической составляющей МКП где Ay = 2 - коэффициент увеличение массы несущей конструкцией гусеничного обвода, 7Vpo = количество рабочих органов МКП 27.13.33 (табл. 5.1). Для расчета исполнительной составляющей приняты во внимание удельные стоимости АКП-2,5, КФГ-3,6 и КШУ-18.
Проект балансовой цены Цб " 696886-1,1 = 766575 руб. Расчёт общей потребности в машинах копающей почвообработки выполнен с учётом изменения производительности.
1. Известные способы основной обработки почвы существенно различаются по агротехническим результатам, имеют высокую энергоёмкость и трудоёмкость, что в ряде случаев затрудняет выбор её вида.
2. Предложен новый способ механизированной основной обработки почвы на основе копания, средство его механизации и специально сконструированные рабочие органы. Новый принцип рыхления почвы заложен в конструкцию машины копающей почвообработки, защещённой патентом №2064741.
3. Технологический процесс работы МКП предполагает заглубление в почву рабочих органов с малым поперечным сечением по пути наименьшего сопротивления под действием массы машины и последующее выглубление с использованием напряжений растяжения, тем самым, решая задачу снижения энергозатрат и паразитного уплотнения почвы машиной.
4. Скорость взаимодействия рабочих органов МКП с почвой определяется кинематическими соотношениями в механизме привода. Она, как правило, существенно ниже рабочей скорости новой машины, а на наиболее нагруженных участках траектории меньше на порядок. Это обстоятельство, вместе с использованием преимущественно напряжений растяжения при рыхлении почвы способствует снижению энергозатрат.
5. Равновесие машины в горизонтальном установившемся движении определяют вес машины и приложенные извне реакции почвы на действие основных и дополнительных рабочих органов. В силовом многоугольнике силы реакции почвы на заглубление и выглубление разнонаправлены, поэтому вес машины должен компенсировать только разность их вертикальных составляющих.
-137 6. Предложены рабочие органы машины копающей почвообработки для глубины обработки 20 см с радиусом дуги клина R = 22 см и глубины обработки 25 см с радиусом дуги клина R = 27 см. По агротехническим показателям результаты обработки занимают промежуточное положение между культурной вспашкой и комбинированной обработкой агрегатом типа АКП-2,5: отсутствует оборот пласта и глубокая заделка пожнивных остатков, но при этом почва хорошо рыхлится и перемешивается. МКП технологически создаёт ряд новых эффектов. В частности, ячеистое дно обработанного пласта, полезное с точки зрения почвоуглубления и предотвращения горизонтального подпочвенного стока почвенной влаги. Удельные затраты энергии на обработку почвы составили соответственно 47,2 кДж/м3 и 47,9 кДж/м3.
7. На основании проведённых полевых экспериментов расчётная эксплуатационная масса МКП 27.13.33 с глубиной обработки 25 см должна составлять 30,1 т. Эксплуатационная масса МКП 22.1.25 при средней глубине обработки 20 см равна 14,9 т.
8. Определена энергетическая эффективность копания в условиях полевого эксперимента. Затраты механической энергии составили 51,3 % от комбинированной основной обработки на глубину 20 см, и 39,5 % от культурной вспашки на глубину 25 см.
