Theoretical and experimental determination of tractive resistance of a rope and roller cultivator


Cite item

Full Text

Abstract

Diagrams of forces acting on rope and roller working organs of the cultivator are given. Theoretical substantiation and formulas for determination of tractive resistance of working organs of the device are presented. Experimental results of determination of energy indicators of device performance, as well as comparative evaluation of theoretical and experimental data are brought.

Full Text

Тросово-катковый культиватор (рис. 1) - комбинированное орудие, предназначенное для сплошной обработки почвы. Подрезающим рабочим органом служит трос, а выравнивающим и уплотняющим - двухбарабанный планчатый каток. Экспериментальный образец собран на раме модуля культиватора КУБМ-14,7 и представлен как один из возможных вариантов сменных модулей [1; пат. РФ на полезную модель № 130188, 147810]. Лабораторно-полевые исследования, проведенные с целью оценки работоспособности культиватора, показали, что он в полной мере удовлетворяет требованиям к машинам для предпосевной обработки почвы по показателям сплошного подрезания сорняков, их низкой приживаемости, выровненности поверхности обработанного поля и структуры посевного слоя почвы [2, 3]. Не менее важны энергетические показатели работы культиватора, в частности тяговое сопротивление рабочих органов - троса и двухбарабанного катка. Рассмотрим значения этого показателя отдельно для каждого из рабочих органов. Определим тяговое сопротивление тросового рабочего органа. Согласно теории клина акад. В.П. Горячкина [4], все формы поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих машин можно рассматривать как развитие трехгранного клина с углами крошения α, наклона β и сдвига γ. Также большое значение при обработке почвы имеет угол i заточки режущей кромки. Сопротивления почвы, преодолеваемые клином [5]: сопротивление внедрению лезвия, сопротивление деформации, вес пласта, сила инерции пласта. С учетом этого продольная составляющая Px силы тяги двугранного клина, движущегося поступательно с постоянной скоростью, равна: . (1) При обработке почвы тросовым рабочим органом наблюдается резание пласта почвы без отделения стружки. Перемещение троса при этом происходит параллельно поверхности почвы. Ветвь троса можно представить как простой плоский клин с затупленной режущей кромкой, определенным углом сдвига γ и углом крошения α = 0°. Отсутствие рабочей поверхности исключает возникновение силы инерции пласта. Учитывая конструкционные особенности тросового рабочего органа, представим схему сил (рис. 2), действующих на него в процессе обработки почвы. Так, трос преодолевает результирующую R силы реакции почвы и силы трения, силу Q сопротивления почвы деформации и силу G тяжести пласта. Спроецировав эти силы на оси координат, получим: Решив систему уравнений с учетом того, что вес пласта зависит от геометрических параметров троса и объемного веса почвы , получим: , (2) где а - глубина обработки почвы, м; b - ширина захвата троса, м; d - диаметр троса, м; ρ - объемный вес почвы, Н/м3. Примем, что сила сопротивления почвы деформации имеет линейную зависимость от параметров рабочего органа: , (3) где k - удельное сопротивление почвы, Н/м2. Кроме того, на трос действует сила Rз сопротивления почвы внедрению, стремящаяся вытолкнуть рабочий орган из почвы. Этой силой нельзя пренебрегать при обработке почвы затупленной режущей кромкой, в т.ч. и тросовым рабочим органом. Она зависит от геометрических параметров троса, физико-механических свойств почвы, величин заднего угла и угла трения. Горизонтальная составляющая силы Rз равна [5]: , (4) где q - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3; r - радиус троса, м; ε - задний угол; φ - угол трения. При условии равномерного поступательного движения продольная составляющая силы тяги троса: . (5) Подставив полученные выражения в (5), получим уравнение для определения тягового сопротивления троса: . (6) Определим тяговое сопротивление катка. Двухбарабанный планчатый каток, идущий следом за тросовым рабочим органом, представляет собой сложную динамическую систему. Внутренний и наружный барабаны не имеют между собой жесткой кинематической связи (см. рис. 1). Допустим, что каток движется по деформируемому основанию с постоянной скоростью без скольжения и буксования барабанов, что характерно для установившегося движения. При этом в контакте с почвой одновременно находятся четыре элементарных отрезка dl (рис. 3), расположенных на рабочих поверхностях планок, - по два на каждом из барабанов. Тогда при ширине захвата катка b можно определить элементарную площадь контакта на каждой из планок: d S = b d l. На эту площадь действуют элементарные силы реакции: d R = σ b d l, где σ - напряжение смятия почвы. σ = q y, где q - коэффициент объемного смятия почвы; y - линейная деформация почвы. На планках с реакциями почвы R2н и R2в элементарные стороны dx, dy и dl образуют прямоугольный треугольник с углами между сторонами dx и dl, равными νн и νв соответственно. Тогда d y = d l sinν. Выполним подстановку и проинтегрируем: . По схеме, представленной на рис. 3, P = R sinν , тогда: . (7) Для планок с реакциями R1н и R1в угол ν = 90º, тогда: . (8) Тяговое сопротивление катка может быть определено как сумма сопротивлений на каждой из планок. Выполнив преобразования, получим: , (9) где bн, lн, bв и lв - соответственно ширина захвата барабана и толщина планок на наружном и внутреннем барабанах. В 2014 г. Уральским испытательным центром сельскохозяйственной техники ЧГАА на опытном поле Института агроэкологии были определены энергетические показатели работы агрегата по ГОСТ 52777-2007. В эксперименте использовался универсальный переносной многоканальный измерительно-вычислительный комплекс MIC-400D, оснащенный программным обеспечением для записи и обработки измерительной информации (Recorder и WinПОС). В процессе эксперимента определены тяговые сопротивления при перемещении укомплектованного культиватора и обработке почвы культиватором в различных комплектациях (см. таблицу). Значения тяговых сопротивлений модуля с шириной захвата 1 м при разных комплектациях рабочими органами Выполняемая операция и варианты комплектации Средние значения тяговых сопротивлений, Н Перемещение укомплектованного экспериментального культиватора в транспортном положении 2984 Выполнение сплошной обработки экспериментальным культиватором в полной комплектации - с тросовым и катковым рабочими органами 5857 Выполнение сплошной обработки тросовым рабочим органом (демонтирован каток) 5592 Выполнение обработки долотообразными стойками (демонтирован трос) при ширине междурядья 500 мм 4759 Выполнение сплошной обработки традиционным культиватором с долотообразными стойками при ширине междурядья 167 мм 9798 Полученные данные позволили определить значения тяговых сопротивлений, приходящихся на тросовый и катковый рабочие органы в отдельности, путем вычитания соответствующих вариантов. Используя формулы (6) и (9), определим тяговые сопротивления тросового и каткового рабочих органов. Исходные данные для расчета примем в соответствии с условиями испытаний и конструкционными параметрами агрегата: - удельное сопротивление почвы для паровых культиваторов с полольными лапами k = 1,2…2,4·103 Н/м; - плотность почвы, полученная экспериментальным путем, ρ = 1,2·103 кг/м3; - коэффициент объемного смятия почвы для парового поля qн = 4…5·106 Н/м3, для свежевспаханной почвы qв = 2·106 Н/м3; - глубина обработки а = 8·10-2 м; - угол трения почвы о сталь φ = 30…35º; - задний угол ε = 45º; - угол шага планок νн = 15°; νв = 22,5°; - ширина захвата bн = bв = 1 м; - диаметр троса d = 3·10-3 м; - толщина планок барабана lн = lв = 5·10-3 м. Для тросового рабочего органа получено теоретическое значение тягового сопротивления 752 Н, экспериментальное - 833 Н; для каткового рабочего органа теоретическое значение 354 Н, экспериментальное - 265 Н. Сравнивая эти значения, можно сделать следующий вывод: превышение экспериментального значения продольной силы тяги троса над теоретическим и превышение теоретического значения силы тяги катка над экспериментальным могут быть обусловлены допущениями в теоретических расчетах и большой засоренностью опытного поля растительными остатками, которые затруднили процесс подрезания сорняков, но облегчили перекатывание катка по поверхности поля. Из результатов испытаний видно (см. таблицу), что тяговое сопротивление культиватора с экспериментальными рабочими органами (5857 Н) меньше тягового сопротивления традиционного культиватора (9798 Н) на 40%. Это позволяет ожидать высокой производительности экспериментального культиватора.
×

About the authors

N. G Polikutin

South Ural State Agrarian University

N. A Telichkina

South Ural State Agrarian University

Email: telichkina76@mail.ru

References

  1. Поликутин Н.Г. Культиватор с тросовым и катковым рабочими органами для предпосевной обработки почвы // Вестник Челябинского государственного агроинженерного университета. - 2004, т. 42.
  2. Теличкина Н.А. Культиватор для предпосевной обработки почвы с тросовым рабочим органом // Тракторы и сельхозмашины. - 2014, №8.
  3. Шепелев С.Д. Согласование параметров технических средств в уборочных процессах // АПК России. - 2014, т. 67, №1.
  4. Горячкин В.П. Общая теория орудий / Собр. соч. Т. 1. - М.: Колос, 1965.
  5. Синеоков Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. - М.: Машиностроение, 1965.

Copyright (c) 2015 Polikutin N.G., Telichkina N.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies