Substantiation of toothed disc parameters of selection seeder ploughshare

Abstract

Substantiation of geometric parameters for cutting toothed disc of combined ploughshare is given. Its optimal characteristics for research on energy-saving sowing technologies are determined.

Full Text

УДК 631.319.2 ТСМ № 10-2014 Обоснование параметров зубчатого диска сошника селекционной сеялки Канд. техн. наук В.П. Горобей (НПО «Селта», ННЦ «ИМЭСХ», г. Симферополь, nposelta@rambler.ru) Аннотация. Представлено обоснование геометрических параметров разрезающего зубчатого диска комбинированного сошника. Установлены его оптимальные характеристики для исследований энергосберегающих технологий сева. Ключевые слова: комбинированный сошник, зубчатый диск, сила сопротивления, геометрические параметры, обоснование. В современных условиях интенсивного внедрения энергосберегающих технологий выращивания зерновых и других с.-х. культур есть потребность в проведении агротехнических опытов, в т.ч. посеве селекционно-семеноводческими сеялками по таким технологиям. Конструкционные особенности сошника как определяющего узла сеялки являются ключевыми при посевах по технологии минимальной обработки почвы и без предварительной обработки. Для технологий прямого сева известный производитель селекционно-семеноводческой техники фирма Wintersteiger рекомендует использовать усиленную раму сеялки сплошного высева Plotseed XXL и сошники: двухдисковые Acra-Plant с междурядьями от 19 см; двухдисковые Great Plains с междурядьями от 15 см; двухдисковые Sunflower; зубчатые Horwood Bagshaw [1]. Разработан макетный образец специального приспособления с активными рабочими органами - лопастными дисками, установленными в межсошниковом пространстве. Образец испытан на базе селекционной сеялки типа СКС-6-10 конструкции ВИМа [2]. Вместе с тем двухдисковые, килевидные и анкерные сошники, которыми комплектуются наиболее распространенные на постсоветском пространстве сеялки типа СН-16 [3-5], не позволяют осуществлять высев семян в мульчированную растительными остатками почву из-за несовершенной конструкции сошникового узла. Разработка универсального сошникового узла для высева семян различной крупности по традиционной и энергосберегающей технологиям представляет собой актуальную задачу. Один из путей расширения сферы применения сеялок и обеспечения качественного высева зерновых культур различными типами сошниковых групп при разных системах обработки почвы, а соотвественно и качества предпосевной обработки, - использование сеялок со сплошными дисковыми ножами: турбодисками, волнистыми и рифлеными режущими дисками [6, 7]. Результаты испытаний в Крыму сеялки DST-6000 фирмы Agrisem (Франция) с унифицированными посевными модулями Disk-О-Sem, которые состоят из двух рядов зубчатых дисков, закрепленных на пружинных стойках, показали перспективность данных агрегатов. Несмотря на недостатки по глубине высева, так как заделка семян осуществляется при помощи почвенного потока, который образуют диски диаметром 560 мм, есть и преимущества: во время работы диски вибрируют, создавая эффект ударной волны и обеспечивая заглубление диска даже на тяжелых почвах с меньшим (на 20%) сопротивлением [8]. Уменьшение силы сопротивления при врезании в почву зубчатого лезвия по сравнению со сплошным доказано и бионическими направлениями исследований [9]. Разработан сошниковый узел для селекционно-семеноводческой сеялки с разрезающим диском, анкерным сошником или стрельчатой лапой, комплектуемый в зависимости от выбранной технологии (заявка на пат. UA № а201405418). При обосновании конструкционно-технологической схемы зубчатого диска универсального комбинированного сошникового узла для расширения технологических возможностей и повышения эффективности селекционно-семеноводческих сеялок учтены исследования [9]. Они показали, что уменьшение общей силы сопротивления зубчатому режущему лезвию по сравнению со сплошным объясняется тем, что под действием каждого выступа-зуба создаются концентрации напряжений, достигающие предела прочности почвы. Для полного разрезания почвы зубчатым диском минимальное давление на каждом зубе РЗ должно превышать предел прочности почвы Ркр, т.е. РЗ Ркр согласно схеме на рис. 1. Принимая РЗ = Ркр, из решения контактной задачи взаимодействия зубчатого диска с почвой можно определить необходимое усилие Р резания почвы зубчатым диском: Р = π α Ркр , (1) где α - полуширина зуба. Таким образом, для эффективного резания почвы зубчатым диском каждый его зуб должен создавать давление, в π раз превышающее критическое давление Ркр. Поставленную задачу можно решать, используя уравнение (1). Если резание почвы проводится зубчатым диском с длиной дуги врезания L, количеством зубьев N, шириной выступа зуба 2a и шагом S (см. рис. 1), то выразив L через основные геометрические параметры зубьев, определим их количество: . (2) Обозначив отношение полуширины выступа к шагу , из уравнения (2) найдем: S = , (3) где К - коэффициент расстановки зубьев на диске. При врезании в почву зубчатого диска создаваемое им усилие равно: Р = РЗ N, (4) где РЗ = π α Ркр - усилие, создаваемое одним зубом. Подставив значения N и РЗ в уравнение (4), окончательно получим выражение для общего усилия, создаваемого зубчатым диском: . (5) Коэффициент расстановки зубьев определим по выражению: . (6) Решения уравнения (5) при различных значениях К, полученные в виде графиков зависимости создаваемого зубчатым диском усилия Р от количества зубьев N, показывают, что с увеличением количества зубьев на дуге врезания диска усилие Р уменьшается. Особенно значительно это проявляется при увеличении количества зубьев от одного до четырех. Дальнейшее увеличение числа зубьев не оказывает существенного влияния на общее усилие, поэтому на зубчатом диске можно ограничиваться количеством зубьев на длине дуги врезания N 4. Ширина выступа зуба 2а должна быть такой, чтобы на процесс подрезания почвы не влияли соседние зубья, а трещины отрыва в межзубьевом пространстве смыкались. С увеличением количества зубьев зависимость усилия Р от коэффициента расстановки зубьев К приближается к линейной. Поэтому максимальное снижение усилия зубчатого диска по сравнению со сплошным будет достигнуто при коэффициенте расстановки, соответствующем экстремальному значению функции (6). Исследуя функцию на экстремум по теореме Лагранжа о конечном приращении, получим значение Кэ , определяемое решением квадратного уравнения: 4Кэ2 - 4Кэ + 4Кэ N - N + 1 = 0 . (7) Графическое решение уравнения (7) показывает, что с увеличением количества зубьев на режущем диске от 4 до 10 величина Кэ изменяется в незначительных пределах от 0,23 до 0,24. Следовательно, оптимальной величиной коэффициента расстановки К для зубчатых рабочих органов можно считать 0,22-0,24. Учитывая размерные характеристики (см. рис. 1) и полученные зависимости, запишем: ; (8) , (9) где h - глубина хода, м; R - радиус диска, м. Длина дуги врезания зубчатого диска в почву составит: . (10) Выразив длину дуги через количество зубьев, получим: , (11) где - количество зубьев на дуге врезания. Тогда: . (12) При условии, что ≥4, получим: . (13) Исходя из обоснования коэффициента K расстановки зубьев, полуширина зуба равняется: . (14) Принимаем К = 0,24, тогда: ; (15) . (16) Исходя из формул (12) и (15), число зубьев N на длине окружности диска L0 определим по выражению: ; (17) . (18) Расчет по формуле (18) показывает, что при глубине хода h = 0,08 м диска радиусом R = 0,165 м количество зубьев должно быть не менее N = 24. Для обоснования высоты зуба рассмотрим его вдавливание в почву под действием силы РЗ (рис. 2). Из решения уравнения плоской контактной задачи с учетом того, что сила РЗ распределяется на две составляющие - силу Р1 резания площадкой зуба и силу Р2 резания наклонной частью зуба - получим: , (19) где t - толщина зуба; hЗ - высота зуба; ν - деформационный показатель почвы. Из уравнения (19) получим выражение для определения высоты зуба: . (20) Расчет по формуле (20) показывает, что при ν = 2·10-7 м2/Н; а = 0,01 м; t = 0,003 м; PЗ = 150 Н получим hЗ = 0,021 м. Расчетные значения оценки реакции почвы, усилия вдавливания, тягового сопротивления при заглублении диска в почву в соответствии с агротехническими требованиями показали, что при заданной удельной твердости почвы 1,5-1,8 МПа и комплектации селекционно-семеноводческой сеялки с шириной захвата 1,8 м тринадцатью комбинированными сошниковыми узлами могут быть использованы базовые конструкционно-технологические характеристики сеялки и энергетический агрегат [10]. По расчетным параметрам изготовлен экспериментальный образец сошникового узла. Его полевая работоспособность проверена комиссией Института сельского хозяйства Крыма на необработанном поле по стерне пшеницы с твердостью в горизонте от 0 до 0,08 м до 0,95 МПа при относительной влажности почвы 60%, а также на поле с поверхностной обработкой при твердости в указанном горизонте 0,8 МПа и влажности 48%. На необработанном поле количество растительных остатков, в т.ч. длиной более 0,5 м, достигало 650 г/м2. Поверхностный слой представлял собой мульчу, которая включала 350 г/м2 стерневых остатков. Встречались скопления до 550 г/м2. Сошниковый узел, укомплектованный зубчатым диском и анкером, стабильно функционировал на обработанном и необработанном полях. Обоснованная методика расчета разрезающих зубчатых дисков комбинированных сошниковых узлов позволяет устанавливать оптимальные соотношения между конструкционными параметрами данного типа рабочих органов и их энергетическими показателями. Проведенные полевые исследования изготовленного экспериментального комбинированного сошника на стерне пшеницы и поверхностно обработанной почве подтвердили его работоспособность.