Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкций плугов для обработки почв засоренных камнями и научных работ, посвященных их совершенствованию 10
1.1. Анализ конструкций плугов, оснащенных предохранителями 10
1.1.1. Плуги с групповыми предохранителями 10
1.1.2 Плуги с индивидуальными предохранителями фиксаторного типа. 11
1.1.3. Плуги с предохранителями в виде срезных болтов 12
1.1.4. Плуги с автоматическими предохранителями 14
1.1.4.1. Плуги с рычажно-пружинными предохранителями 14
1.1.4.2. Плуги с рессорными предохранителями 19
1.1.4.3. Плуг с предохранителями в виде резиновых подушек 22
1.1.4.4. Плуги с гидравлическими предохранителями 23
1.1.4.5. Плуги с гидропневматическими предохранителями 23
1.1.4.6. Плуги с пневматическими предохранителями 27
1.2. Классификация плугов для обработки почв засоренных камнями 29
1.3. Анализ научных работ, посвященных совершенствованию технических средств, для обработки каменистых почв 30
Выводы 36
2. Теоретические исследования по обоснованию основных параметров плуга с пневматической предохранительной системой 37
2.1. Усовершенствование технологического процесса вспашки 37
2.2. Обоснование технологической схемы предлагаемой конструкции плуга 38
2.3. Обоснование высоты стойки плуга 40
2.4. Кинематика обхода препятствия 44
2.4.1. Плоское наклонное препятствие 44
2.4.2. Плоское вертикальное препятствие 48
2.4.3. Круглое препятствие 51
2.5. Ход и параметры установки предохранителя плуга 55
2.6. Сила сопротивления пневматического предохранителя 58
2.7. Перспективная характеристика предохранителя плуга 65
2.8. Динамика обхода препятствия 71
2.8.1. Наклонное препятствие 71
2.8.2. Круглое препятствие 73
Выводы 75
3. Программа и методика экспериментальных исследований 77
3.1. Программа экспериментальных исследований 77
3.2 Методика экспериментальных исследований 78
3.2.1 Зависимость изменения давления и силы сопротивления пневматического предохранителя от величины его сжатия 78
3.2.2. Исследование процесса обхода искусственного препятствия 80
3.2.3. Полевые испытания секции плуга с пневматическим предохранителем 88
3.2.4. Лабораторные испытания экспериментального образца плуга с пневматической предохранительной системой 91
3.2.5. Испытание экспериментального образца плуга в полевых условиях 92
Выводы 93
4. Результаты экспериментальных исследований 94
4.1. Зависимость давления в предохранителе и силы его сопротивления от хода штока и начального давления 94
4.2. Обход искусственного препятствия экспериментальной и сравниваемых с ней секциями плугов 111
4.3. Результаты полевых исследований экспериментальной секции плуга 121
Выводы 125
5. Полевые испытания опытного образца плуга ППП-5-35, и экономическая эффективность от его внедрения 126
5.1. Результаты полевых испытаний опытного образца плуга ППП-5-35 126
5.2. Расчет экономических показателей от внедрения усовершенствованного плуга с пневматическими предохранителями ППП-5-35 133
Выводы 134
Заключение 135
Предложения и рекомендации производству 136
Перспективы дальней разработки темы 136
Список литературы 137
Приложения 151
- Плуги с рычажно-пружинными предохранителями
- Сила сопротивления пневматического предохранителя
- Зависимость давления в предохранителе и силы его сопротивления от хода штока и начального давления
- Результаты полевых испытаний опытного образца плуга ППП-5-35
Введение к работе
Актуальность темы исследования. При возделывании сельскохозяйственных культур одной из самых энергоемких технологических операций является основная обработка почвы. Традиционно вспашку проводят лемешными плугами.
В зависимости от типа обрабатываемой почвы и наличия в ней камней пахоту проводят плугами оборудованными предохранителями рабочих органов или без них.
Ведущие мировые производители сельскохозяйственной техники выпускают почвообрабатывающие машины с различными типами предохранительных устройств. Наибольшее распространение получили индивидуальные предохранители гидропневматического, пружинного и рессорного типа. Все эти предохранители имеют ряд недостатков. К недостаткам гидропневматических предохранителей относятся: сложность конструкции, большие значения тягового сопротивления при обходе камней, трудность регулировки. Пружинные и рессорные предохранители значительно проще, чем гидропневматические, но так же требуют больших затрат времени для регулировки силы сопротивления.
Весьма перспективными являются пневматические предохранители, которые конструктивно просты и обеспечивают небольшие значения прироста тягового сопротивления при обходе камней, т.е. энергоемкость процесса обхода камней, в случае применения таких предохранителей значительно ниже чем при использовании остальных типов. Кроме того, давление в них легко и быстро можно изменять. Однако, конструкция их еще недостаточно исследована, что заключает в себе большие резервы повышения эффективности от их применения. В связи с этим, работа, посвященная совершенствованию конструкции плуга с пневматическими предохранителями, обеспечивающей низкие энергозатраты на обход встречающихся камней и обладающей возможностью быстрой регулировки, является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Разработкой и совершенствованием конструкций предохранителей почвообрабатывающих машин занимались многие ученые: Г.Н. Синеоков, И.М. Панов, И.Н. Давидсон, В.Н. Посметьев, Я.П. Лобачевский, В.М. Бойков, С.В. Старцев, Н.К. Захарова, В.А. Зеликов, А.Н. Третьяков, М.Г. Догановский, А.В. Лиференко, Е.В. Снятков, В.Л. Спасский, П.М. Гильштейн, И.К.Захаров, Л.Х. Ким, И.Б. Борисенко, Э.Э. Поклар, В.М. Кудрявцев, В.Н. Гиммельфарб, В.Б. Перельмутер, М.И. Белов, Л.И. Рейнтам, А.Б. Лурье, А.Г. Параев, А.Р. Якобсон, Э.Ю. Нугис, В.И. Вайнруб, А.А. Базров, М.З. Циммерман, С.И. Старовойтов и др.
В работах данных авторов рассматривались различные вопросы, в том числе: характеристики работы предохранителей; расчет параметров предохранителей различного типа; взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с камнем и.т.д.
Однако, в данных работах уделялось недостаточное внимание вопросу снижения энергоемкости обхода встречающихся камней в сочетании с возможностью быстрой и легкой настройки плуга на заданные условия работы.
Решение этого вопроса позволяет, в итоге, получить конструкцию плуга надежно обходящего встречающиеся камни с небольшими затратами энергии и снизить нагрузки на узлы и элементы плуга и трансмиссию агрегатирующего его трактора, а также уменьшить количество выворачиваемых плугом камней на поверхность поля.
Цели и задачи исследования
Цель работы: снижение энергоемкости технологического процесса обработки каменистых почв за счет разработки пневматической предохранительной системы плуга общего назначения.
Задачи исследования:
-проанализировать основные конструкции плугов для обработки почв засоренных камнями и научные работы, посвященные их разработке;
-усовершенствовать технологический процесс обработки почв засоренных камнями, разработать схему эффективной предохранительной системы плуга, проанализировать изменение тягового сопротивления его секции при обходе ею камня и обосновать рациональные значения основных параметров предохранительной системы и секции плуга;
-экспериментально исследовать процесс сжатия предложенного предохранителя; тягового сопротивления и энергоемкости процесса обхода препятствия модернизированной секцией плуга; показатели качества е работы;
-провести полевые испытания опытного образца плуга, оснащенного предположенной предохранительной системой и определить экономический эффект от его внедрения.
Научную новизну представляют результаты:
-усовершенствованный технологический процесс основной обработки почв засоренных камнями, разработана классификация плугов для обработки почв и схема эффективной предохранительной системы плуга;
-аналитические зависимости по расчету тягового сопротивления секции плуга при обходе ею камня и обоснованию рациональных значений основных параметров предохранительной системы и секции плуга;
-экспериментального исследования процессов: сжатия предложенного предохранителя; тягового сопротивления и энергоемкости процесса обхода препятствия модернизированной секцией плуга; показатели качества е работы, подтвердившие и уточнившие результаты теоретических исследований.
Техническая новизна предложенной пневматической предохранительной системы плуга подтверждена патентом РФ на изобретение № 2380875.
Теоретическая и практическая значимость работы
Значимость для теории представляют аналитические зависимости по определению рациональных значений: высоты стойки плуга для обработки каменистых почв; угловой скорости поворота секции и углового ускорения, возникающих при обходе препятствий различного типа; хода штока предохранителя, давления внутри него и силы его сопротивления; тягового сопротивления секции плуга возникающего при обходе ею препятствий различного типа. Значимость для теории представляют так же результаты анализа изменения тягового сопротивления секции, оснащенной предохранителями гидропневматического и рессорного типов.
Практическую значимость представляют: предложенная конструкция пневматического предохранителя с параметрами, оптимальные значения которых обоснованы в работе; установочные параметры предохранителя; уточненные параметры секции плуга для обработки каменистых почв.
В совокупности, это позволяет создавать надежные плуги для обработки каменистых почв, легко и быстро настраиваемые на заданные условия эксплуатации, обеспечивающие меньшие затраты энергии на обход препятствия, и экономически более эффективные по сравнению с плугами, оснащенными предохранителями других типов.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами Горского ГАУ 2010…2016 годов и тематическим планом МСХ РФ 2011года.
Методология и методы исследования. При выполнении теоретических работ использовались положения: теории сельскохозяйственных машин; теоретической механики; теории механизмов и машин; сопротивления материалов; термодинамики. При выполнении экспериментальных исследований применялся метод тензометрирования с помощью современного измерительного оборудования, методики, изложенные в стандартах, рекомендациях, а так же собственные. Обработка результатов измерений проводилась при помощи популярных, специализированных компьютерных программ, часть результатов обрабатывалась по компьютерным программам написанным самостоятельно с применением положений математической статистики.
Положения выносимые на защиту:
-результаты анализа основных конструкций плугов для обработки почв засоренных камнями и их предохранительных устройств;
-усовершенствованный технологический процесс основной обработки почвы засоренной камнями и схема пневматической предохранительной системы плуга, рациональные значения основных конструктивных и установочных параметров пневмопредохранителя;
- уточненные значения основных параметров секции плуга для обработки почв, засоренных камнями;
6 -результаты экспериментальных исследований пневмопредохранителя и оснащенной им секции, полевых испытаний опытного образца плуга, подтвердивших правомерность и целесообразность использования основных результатов работы.
Степень достоверности и апробация результатов
Степень достоверности результатов исследования подтверждается результатами статистической обработки экспериментальных данных, достаточной сходимостью их с результатами расчета, результатами полевых испытаний модернизированной плужной секции и опытного образца плуга ППП-5-35.
Результаты исследования докладывались на Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития агропромышленного комплекса горных и предгорных территорий», посвященной 90-летию Горского ГАУ (Владикавказ, 2008г.), на научной конференции Горского ГАУ «Студенческая наука - агропромышленному комплексу», (Владикавказ 2009г, 2012г), на расширенном заседании НТС МСХ РФ (Москва, 2011г.), на XI Всероссийской выставке НТТМ-2011 (г. Москва, 2011г.), на IV- Международной научно – практической конференции «Молодые ученные в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2013г.), на региональной научно - практической конференции «Достижения науки – сельскому хозяйству» (Владикавказ, 2016г.), на VII Международной научно – практической конференции «Перспективы развития АПК в современных условиях» (Владикавказ, 2017). Работа была награждена дипломом на XI Всероссийской выставке НТТМ – 2011, а в 2016 году стала лауреатом конкурса работ на соискание премии Главы РСО-Алания в области науки и техники для молодых ученых и специалистов. Опытные образцы плуга ППП-5-35 и модернизированной секции прошли хозяйственные испытания в госхозе «Саниба» (2010…2016гг.), на землях Горского ГАУ (2010…2017). Материалы исследования внедрены в учебный процесс Горского ГАУ и используются при чтении обучающимся курса «Сельскохозяйственные машины».
Результаты исследования, опубликованы в 15 научных трудах, в том числе в 6 работах изданных в журналах, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий» ВАК и одном патенте РФ на изобретение (№2380875).
Общий объем опубликованных работ составляет 7,43 усл.печ.л., из них 5,61 усл.печ.л. принадлежит лично автору.
Структура и объем работы
Плуги с рычажно-пружинными предохранителями
Плуги с рычажно-пружинными предохранителями представлены практически каждой фирмой изготовителем плугов, и отличаются, в свою очередь, конструктивными параметрами, такими как: расположение пружины относительно горизонтали, количества используемых пружин, использование пружин растяжения или сжатия, и т.д.
Плуги выпускаемые фирмой White [81] (рис. 1.4) имеют несколько видов установки пружины сжатия относительно горизонтальной плоскости – параллельно к горизонтальной плоскости или наклонно к ней. Плуг работает следующим образом, при наезде корпуса плуга на препятствие усилие Р передается посредством стойки 1 на рычаг 2. В процессе работы усилие Р передается через стойку 1 на шарнирно закрепленный рычаг 2 передающий усилие на вилку с пружинами 3, которая давит на рычаг 5, заставляя вращаться его относительно точки О2. Таким образом, происходит сжатие пружины 3. Далее при заглублении корпуса, стопор 4 рычага 5 упирается в рычаг 2, и тем самым предотвращает проворачивание рычага 2 в обратную сторону.
Плуг VARIOPAL 7X от фирмы LEMKEN [77] (рис. 1.5) представляет собой оборотный плуг с рычажно-пружинными предохранителями. Конструкция этого плуга сделана таким образом, что стойки составляют параллелограммный механизм, крепящейся спереди к кронштейну закрепленному на раме. Стойки соединены между собой кронштейнами с пакетами пружин по обоим сторонам. Между пластинами стоек ставится специальная направляющая пластина позволяющая выглубляться корпусу только по заданной траектории движения.
Предохранитель плуга ПГП-4-40-2(К) (рис. 1.6) [83] представляет собой шарнирно закрепленный рычаг 3 соединяющий стойку 1 с кронштейном 4 который закреплен шарнирно на стойке 6. Стойка 1 связана с пластиной 4 также пружиной 2. Работает предохранитель следующим образом. При наезде на препятствие, на лемех действует сила Р которая стремится повернуть стойку 1. Рычаг 3 поворачивает пластину 4 вокруг шарнира О1 которая в свою очередь, растягивает пружину 2. После обхода препятствия, под воздействием силы упругости пружины 2 и собственного веса, корпус плуга заглубляется.
У плуга ПКГ-5-40В имеется шарнирно закрепленный грядиль 15 к которому шарнирно присоединен толкатель 13 [73] (рис. 1.7). Другим концом толкатель соединен с держателем 11 который, в свою очередь, шарнирно крепится к кронштейну рамы 5. Между кронштейнами 7 и 12 держателя 11 при помощи оси 10 закреплен кронштейн 9 к которому при помощи винтов 5 прикреплены пружины 4. Работает предохранительная система следующим образом. При наезде на препятствие стойка, вращаясь относительно пальца 18, передает усилие на тягу 13 и поворачивает держатель 11. При этом пружины 4 растягиваются. После прохода препятствия под действием силы упругости пружин 4 и собственного веса корпус плуга возвращается в исходное положение.
Плуги фирм Salford, OVERUM [64] (рис. 1.8), Unia имеют практически одинаковый принцип работы рычажно-пружинных предохранителей с использованием пружин растяжения. В основу принципа их работы так же положен рычажный механизм.
Плуг имеет шарнирно крепящийся к раме грядиль 1, к которому шарнирно прикреплен поворотный кронштейн 2 с регулировочным болтом 3. К верхней части поворотного кронштейна шарнира присоединена кулиса 4 к верхней части которой крепится пружина 5. С кулисой 4 шарнирно соединен упорный стержень 6.
Работает секция следующим образом. При наезде на камень грядиль 1 поворачивается вверх и вместе с ним поднимается вверх поворотный рычаг 2 и кулиса 4. Так как в кулису упирается упорный стержень 6 то она, одновременно с подъемом, поворачивается влево и растягивает пружину 5. После прохода препятствия секция возвращается в исходное положение.
Большой интерес представляет конструкция турецкого плуга с пружинным предохранителем фирмы ALPLER (рис. 1.9) [57].
Как видно из рис. 1.9 к нижней части грядиля 1 крепится корпус плуга 2, а с задней частью грядиля шарнирно связан поворотный рычаг 3, правый конец которого шарнирно соединен с верхней тягой 4. К кронштейну верхней тяги присоединена пружина растяжения, второй конец которой соединен со стойкой плуга. При наезде на камень корпуса 2 грядиль 1 поворачивается вверх, тем самым, выглубляя корпус 2. При этом, рычаг 3 поворачивается против часовой стрелки, поворачивая вверх верхнюю тягу 4 и растягивая пружину 5. После прохода препятствия секция возвращается в начальное положение.
На основании анализа видеосъемки работы данного плуга можно заключить, что из-за большой длины пружины растяжения нижняя их часть часто засыпается почвой, что нежелательно.
Турецкий плуг NL-4 [92] оснащается пружинными предохранителями. Каждая секция плуга состоит из грядиля 1 который своими упорами опирается на гнезда кронштейна 2 (рис. 1.10). К задней части грядиля крепится корпус 3. Внутри грядиля 1 установлена пружина 4. Конструкция плуга позволяет при необходимости провести ее переделку под установку пружины растяжения или сжатия, т.е. схема располагает хорошими возможностями
При наезде на препятствие грядиль поворачивается вверх относительно своего вертикального упора и корпус выглубляется. После прохода препятствия возвращается в исходное положение.
Принимая во внимание тот факт, что при деформации пружины сила ее упругости возрастает, а плечо силы действующей на носок лемеха относительно верхнего упора грядиля в процессе выглубления уменьшается, можно с большой долей вероятности утверждать, что при выглублении секции ее тяговое сопротивление будет возрастать.
Определенный интерес представляет собой конструкция английского плуга Dowdeswell 100 Series MR [71] (рис. 1.11).
Грядиль секции плуга упирается в гнездо упоров кронштейна 2 закрепленного на раме плуга. К проушинам кронштейна 2 при помощи пальца крепится продольная тяга 3 задний конец которой связан с коромыслом 4. Коромысло 4 шарнирно закреплено на кронштейне грядиля 5. К другому конце коромысла крепится регулировочная серьга 6, связанная также с пружиной 7 второй конец которой закреплен на грядиле 1. При срабатывании секции грядиль 1 отклоняется вверх относительно верхнего упора. При этом, задний конец тяги 3 перемещается внутри грядиля 1, поворачивая серьгу 4 и растягивая тем самым, пружину 6.
К сожалению, в литературе отсутствуют данные о качестве работы данного плуга на тяжелых, засоренных камнями почвах.
Конструкция предохранительного механизма плуга Huard TR65 NSM 16 [60] весьма схожа с ранее рассмотренной конструкцией плуга NL-4, только в ней применяется телескопическая пружина с витками прямоугольного сечения (рис. 1.12). Преимуществом этой конструкции является не большие размеры пружины. Однако, известно, что подобные телескопические пружины характеризуются большой жесткостью, что может отразится на жесткости работы самого предохранителя.
Одним из серьезных недостатков плугов с пружинными предохранителями являются большие затраты времени на их настройку на заданные условия работы. Кроме того, как показал анализ, для изготовления пружинных предохранительных систем, в особенности оборотных плугов необходимо изготавливать детали системы из высокопрочных марок сталей, что негативно отражается на стоимости машины.
Сила сопротивления пневматического предохранителя
При срабатывании пневматического предохранителя дополнительная камера, поднимаясь вверх, начинает деформировать резиновую подушку. Давление внутри камеры возрастает, а сама она приобретает сложную форму. Из-за излома пневмоподушки вблизи дополнительной камеры, возрастает суммарная сила сопротивления предохранителя.
Таким образом, совершенно очевидно, что процесс деформации подушки предохранителя очень сложен и расчет его крайне затруднителен.
Изучая вопрос сопротивления пневморессор сжатию нами были проанализированы материалы сайта завода изготовителя, в частности фирмы «Vibracoustic», а так же работы посвященные расчету и исследованию пневмоподвесок [13, 28, 49, 106, 110].
Однако данных исследований недостаточно, чтобы рассчитать сопротивление предохранителя предложенной конструкции включенного в вышеприведенную систему.
Предположим, что поршень поднимается вверх, сжимая камеру предохранителя (рис. 2.22). В результате такого перемещения давление в камере будет постепенно нарастать. При этом изменяется объем воздуха закаченного в пневмокамеру и его температура, то есть процесс сжатия является политропическим. Если объем поршня изменяется медленно, то n1=1, если быстро, то показатель политропы n1=1,3…1,4 [106, 110].
Этот процесс во многом схож с процессом сжатия воздуха в двигателе внутреннего сгорания и многих других устройствах, работающих со сжатым воздухом [37, 38]. Поэтому, вполне рационально предположить что для начального и конечного положения поршня справедливым будет соотношение: p0K1 = pKVK = const, (2.43) где: ро, рк - начальное и конечное давление, МПа; Vo, Vк - соответственно начальное и конечное значение объема предохранителя, м3; Пі - показатель политропы сжатия. Из соотношения (2.43) будем иметь:
Однако, по мере подъема поршня его диаметр увеличивается на 2аст, то есть на удвоенное произведение на толщину стенки. Тогда формула (2.49) запишется в виде: AV = - (dдк + 2kасT2 S . (2.50)
До величины поджатия основной камеры в формуле (2.50) аст целесообразно закладывать равным 0. После того как поджатие произойдет произведение 2аст необходимо учитывать.
В работах [3, 12] рабочее положения подвески начинается при сжатии основной камеры на 77%. Тогда высота рабочей камеры Нтах определится из соотношения:
Выражение (2.51) позволяет рассчитать необходимую высоту основной камеры. Тогда, с учетом (2.50) выражение (2.48) перепишется в виде:
Выражение (2.52) позволяет определить давление внутри предохранителя встроенного в цепь пневматической предохранительной системы. Оно позволяет получить приемлемые для практики результаты при условии соединения предохранителей трубопроводами с большим диаметром и малой длиной. В противном случае необходимо проводить более строгий расчет с учетом потерь напора применяя уравнение Бернулли.
При анализе динамических процессов в пневморессорах А.Р. Акопян рекомендует применять Пі=1,39 [1].
В таблице 2.1 приложения 12 представлены варианты расчетов давлений в пневмосистеме в зависимости от хода штока предохранителя, количества их при начальном давлении 0,4МПа.
По результатам расчетов построены графики (рис. 2.23, 2.24) из которых видно, что при установке на плуг одного предохранителя с начальным давлением в пневмосистеме ро=0,4МПа, в конце сжатия давление возрастает до р0=0,92МПа. При р0= 0,6МПа в начале сжатия давление возрастает до 1,1МПа.
Из рис. 2.23 и 2.24 видно, что при количестве предохранителей от 5 до 7 линии изменения давления в начале и в конце сжатия проходят близко друг к другу.
Существенное влияние на снижение давления в предохранителе в ходе его срабатывания оказывает оснащение системы резервной емкостью (рис. 2.25, 2.26). Так оснащение системы резервной емкостью равной двум объемам предохранителей способствует снижению прироста давления при nпр=3 и р0=0,4МПа на 16%, при nпр=3 и р0=0,6МПа на 18%. При nпр=5 и р0=0,6МПа на 3,4%.
Таким образом, в случае если количество корпусов, а следовательно и предохранителей nпр5, то при наличии соединительной магистрали достаточного сечения от резервной емкости можно отказаться. При nпр5 объем е целесообразно закладывать Vрпл=(2…3)Vпр.
Для расчета силы сопротивления предохранителя Рпр необходимо воспользоваться выражением (2.52).
Сразу целесообразно отметить, что для более точного расчета ёэф необходимое выражение для его расчета определяется на основе экспериментальных данных.
Однако, до проведения экспериментов предположим, что диаметр возрастает от (с1дк+2аст) до 0,9dрк. Если это возрастание происходит на участке S тогда выражение для диаметра будет:
Тогда подставив значение (2.54) в (2.53) можем ориентировочный расчет силы сопротивления предохранителя.
В таблице приложения 12.2 приведены результаты расчетов проведенные на компьютере в программе MS Excel, а на рис. 2.27. и 2.28. графики изменения силы сопротивления предохранителя при различных значениях начального избыточного давления. Как видно из этих графиков при возрастании значения избыточного давления с 0,4МПа до 0,6МПа начальное значение силы сопротивления предохранителя возрастет на 8кН, что весьма существенно.
Кроме того, из рисунков видно, что коэффициент жесткости подвески небольшой и при р0=0,6МПа составляет 0,4кН/м.
Зависимость давления в предохранителе и силы его сопротивления от хода штока и начального давления
Как говорилось в предыдущей главе, первая серия экспериментов проводилась на разработанной нами лабораторной установке.
В таблицах приложения 18 приведены результаты, полученные в ходе проведения экспериментов и результаты их статистической обработки.
Графически результаты экспериментов представлены на рис. 4.1. Как видно из материалов приложения 18 и рис. 4.1. зависимости силы сопротивления предохранителя и давления внутри него от величины перемещения штока хорошо описываются уравнениями прямой линии. Причем, коэффициент корреляции находится в пределах 0,912…0,999, то есть имеет место почти функциональная зависимость.
Данное положение подтверждается результатами дисперсионного анализа, приведенных в таблицах 4.3 и 4.5. Расчетное значение критерия Фишера во всех случаях намного больше табличного, то есть, отклонение от линейности обусловлено случайным выборочным выравниванием.
Введем понятия коэффициентов прироста силы сопротивления и прироста давления, которые определяются по выражениям
Проведем по формулам (4.1) и (4.2) необходимые расчеты (табл. 4.1).
Как видно из таблицы 4.1 при изменении значений начального давления от 0,1 до 0,5 мПа, значение коэффициента КР=3,08…3,64, а значение коэффициента прироста давления кр составило 1,55… 1,8. Однако, наиболее значимыми для практики являются давления Ро=0,4… 0,6 МПа. В связи с этим, можно сказать, что значение коэффициентов прироста силы и давления составили приблизительно КР 3,6; кр1,65.
Выбор именно 4-ой степени был обусловлен тем, что при сжатии предохранителя на 90мм, на кривых (рис. 4.2) изменения силы сопротивления отчетливо наблюдается пик. Затем при значении хода штока равном 120…130мм на кривой отчетливо наблюдалась впадина, а при S=140мм значение силы сопротивления было несколько большим.
Таким образом, максимальные и минимальные значения силы сопротивления предохранителя обусловлены закономерностями процесса сжатия именно данной конструкции предохранителя и чтобы их учесть необходимо было использовать полином не ниже четвертой степени.
Проведем расчет коэффициентов kр и КР и сведем результаты в таблицу 4.2.
Как видно из таблицы 4.2 при изменении начального в пределах 0,1…0,5МПа соответствующие коэффициенты составляют kр=1,1…1,22; КР=1,43…1,88. Таблица 4.2 – Результаты расчета коэффициентов прироста силы сопротивления пневматического предохранителя КР и давления kр при различных значениях начального давления р0, сжатии предохранителя и присоединение к нему резервной емкости с объектом равным 2,5 объемам предохранителя.
Таким образом, при указанном диапазоне хода штока предохранителя, в случае присоединения к нему резервной емкости с объемом равным 2,5 его объемам, прирост силы сопротивления снижается на 49%, а давление на 28% по сравнению со случаем сжатия предохранителя без резервной емкости.
Технические параметры и допустимые нагрузки описанного лабораторного стенда с винтовым механизмом ограничивали проведение на нем опытов с высокими значениями прироста усилий при сжатии предохранителя более чем на 150мм. Поэтому дальнейшие исследования нами проводились на лабораторной установке УИМ-50м, позволяющей обеспечивать диапазон максимальной нагрузки до 50 тонн и ход сжатия предохранителя 220мм.
Опыты нагружения проводили поэтапно с различным начальным давлением в пневмокамере: 0,1;0,2;0,3;0,4;0,5;0,6 МПа. Перед каждым опытом осуществлялось предварительное сжатие пневмокамеры до 380мм с дальнейшим ходом сжатия и разжатия без демпфера-отбойника S=220мм (т.е. с 380мм до 160мм).
Первичные данные приведены в таблице приложения 20 и на диаграммах (рис. 5.3-5.8). Анализ графических зависимостей силы сопротивления предохранителя от величины хода его штока для случая сжатия предохранителя без присоединения к нему дополнительной емкости (рис. 4.3) показывает, что по мере увеличения давления сила сопротивления возрастает, причем, что отчетливо видно из рис. 4.3, с увеличением начального давления ро имеет место возрастание ширины петли гестирезиса, что, очевидно, связанно с большим растяжением стенок резиновой подушки.
На рис. 4.3. также можно выделить точки на кривых силы сопротивления, соответствующие величине хода штока S 100мм. При этом значении происходит снижение прироста силы сопротивления, причем при больших значениях начального давления р0 оно видно более отчетливо. Очевидно, это связанно с конструкцией пневмопредохранителя.
Анализ кривых изменений давления внутри пневмопредохранителя (рис. 4.4) говорит о том, что с увеличением хода штока S давление внутри предохранителя плавно возрастает, а ширина петли гистерезиса зависит, в основном, как и в случае с силой сопротивления, от значений начального давления р0.
Резкое нарастание давления внутри пневмопредохранителя и силы его сопротивления, однозначно говорит о нецелесообразности применения такой конструкции в качестве пневматического предохранителя, не оснащая его резервной емкостью или не соединяя его с другими предохранителями.
Начиная с давления р0=0,3 МПа и выше, кривые изменения силы сопротивления приобретают близкую друг к другу форму.
Кривые силы сопротивления при р0=0,3 и р0=0,4 МПа имеют ярко выраженную форму в виде цифры 8. Точка пересечения нагрузочной и разгрузочной ветви ярко выражена и соответствует приблизительно 60…75мм хода штока. Сама разгрузочная ветвь, по мере движения штока от максимального значения к минимальному (обратный ход) плавно начинает отрываться от нагрузочной кривой.
Результаты полевых испытаний опытного образца плуга ППП-5-35
В качестве базовой модели нами был выбран полунавесной плуг ПГП-5-40 который после модернизации был переименован в ППП-5-35. Работы заключались в замене корпусов с 40-сантиметровой шириной захвата на корпуса с шириной захвата 35 см фирмы «Формаш-Нева». Затем были изготовлены новые кронштейны для установки пневмопредохранителей и разработана и изготовлена сама предохранительная пневмосистема, включавшая в себя резервную емкость и соединенные с ней пневмопредохранители.
Плуг состоит из рамы 1 (рис. 5.1.)на которой закреплены кронштейны 2, резервная емкость 3, механизмы регулировочного 4 и опорного колес 5. К кронштейнам 2 шарнирно крепится стойка 6 и пневматические предохранители 7 которые трубопроводами 8 соединены с резервной емкостью 3. Хвостовик каждого предохранителя шарнирно связан с соответствующей стойкой секции.
Перед началом работы плуг заправляется воздухом от компрессора трактора до достижения в пневмосистеме рабочего давления – 0,4…0,6МПа.
В последствии нами была разработана удобная в эксплуатации система управления плугом (рис. 5.2.).
Схема управления предохранительной системой плуга ППП-5-35 приведена на рис. 5.2. Как видно из рис. 5.2 а стойка плуга одного из корпусов 1 соединенная с предохранителем 2 опирается на кронштейн с контактной пластиной 3. Последняя соединена с блоком управления 4. На блоке управления смонтирован манометр, светодиоды и тумблеры для включения питания сети и управления выпускным 5 и выпускным 6 электромагнитными клапанами включаемых посредством реле 7. Воздух в пневмосистему плуга 7 поступает от компрессора 8 трактора через регулятор давления 9 и ресивер 10.
Работает система следующим образом. Перед началом работы, если в предохранительной системе плуга нет воздуха тракторист включает тумблер питания и тумблер управления впускным клапаном 5. Тогда воздух от компрессора трактора через регулятор давления 9 и ресивер 10 поступает в пневмосистему плуга 11. Давление в пневмосистеме плуга должно быть не менее 0,5мПа. При этом контакты на стойке и пластине 3 замкнуты и на пульте управления горит соответствующий светодиод. Далее плуг заглубляется и начинается рабочий процесс вспашки. Если давление в пневмосистеме занижено, то светодиод начинает часто моргать или гаснет вообще. Тогда тракторист включает тумблером впускной клапан 5 и увеличивает давление воздуха в пневмосистеме плуга пока диод не загорится. Моргание диода должно быть не чаще чем один раз в 5с. Затем электромагнитный клапан 5 отключается. Если же светодиод долго не моргает , то это означает, что в пневмосистеме плуга большое давление.
Для уменьшения давления тракторист включает электромагнитный клапан 6. Как только диод начинает моргать с интервалом приблизительно 5с клапан 6 отключается.
Перед проведением полевых испытаний плуга ППП-5-35 мы проводили подбор участка в соответствии с требованиями СТО АИСТ 10 4.6-2010. Требования и характеристика выбранного участка приведены в таблице 5.2.
Как видно из таблицы, условия испытаний были не очень жесткими, однако, нужно сказать, что нами проводились испытания плуга и на других агрофонах. Например, на залежи. Фрагмент проведения испытаний показан на рис. 5.3.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 6.3. опытный образец плуга обеспечивал во время испытаний устойчивое выполнение процесса пахоты. Отклонение от заданного значения глубины обработки не превышало агродопуска.
Отклонение от заданного значения ширины захвата также было небольшим- 7,8%.
Плуг ППП-5-35обеспечивал в период испытаний высокие значения и других показателей вспашки. Так гребнистость поверхности вспаханного поля не превышала 4,6 см, полнота заделки растительных остатков составила 98,5%, а глубина заделки составила 12,2см. Количество комков почвы размером до 5 см составила 85,2%. Производительность агрегата за час основного времени составила 1,2 га/ч.