Agricultural implements with self-adjusting angle of working organs entry into soil

Abstract

A design diagram of agricultural implement providing efficiency increase through the use of self-adjusting mechanism of angles of working organs entry into soil is presented.

Full Text

Повышение производительности машин и механизмов, - безусловно, актуальное направление современного технического прогресса. Сельхозмашинам присуща характерная особенность, связанная с сезонностью их использования, причем разные периоды работ весьма ограничены по времени. Например, в земледелии на выполнение отдельных агротехнических операций отводится от 3 до 5 суток, что требует применения высокопроизводительной техники. Из всех технологических операций в с.-х. производстве обработка почвы - наиболее трудоемкая и энергоемкая. От качества и сроков ее выполнения во многом зависит урожайность. Производительность машинно-тракторного агрегата (МТА) при выполнении обработки почвы обычно рассчитывается по зависимости: , (1) где - производительность, га/ч; - ширина захвата, м; - скорость движения, км/ч; - численный коэффициент перевода единиц измерения. Из соотношения (1) следует, что повышение производительности возможно за счет увеличения либо ширины захвата агрегата, либо его скорости движения. Увеличение скорости движения при прочих равных условиях приводит к увеличению тягового сопротивления орудия, что трудно реализовать тяговыми возможностями трактора. Кроме того, увеличение скорости движения традиционных рабочих органов земледельческих орудий увеличивает интенсивность рыхления почвы, что порой приводит к разрушению агрегатного строения ее естественной структуры. Увеличение ширины захвата орудия также приводит к увеличению тягового сопротивления, так как удельное сопротивление орудия, приходящееся на 1 м ширины захвата агрегата, остается неизменным. Таким образом, ширина захвата и скорость движения агрегата в реальной практике выбираются исходя из тяговых возможностей трактора и агротехнических требований. Одна из возможностей снижения тягового сопротивления земледельческого орудия и повышения его производительности заключается в изменении конструкции рабочего органа и орудия. Если увеличивать скорость движения агрегата, то от рабочего органа потребуется менее активное действие на почву или меньшие углы крошения. Действительно, работа совершаемая разнообразными силами при перемещении пласта почвенного слоя по рабочему органу, должна оставаться неизменной: . (2) Это главное требование агротехники. Для убедительности рассмотрим работу трехгранного клина в почве, на принципах которой сегодня построены практически все рабочие органы земледельческих орудий. Рабочая грань клина служит лезвием, подрезающим слой почвы, который, перемещаясь по клину, разрыхляется и разделяется на устойчивые почвенные совокупности. На рис. 1 показано сечение нижней части такого клина, или лезвие лемеха рабочего органа земледельческого орудия. Суммарная проекция внешних сил сопротивления на ось (горизонтальная составляющая) включает известные слагаемые [1]: , (3) где - суммарная проекция всех внешних сил сопротивления на ось ; - составляющая сопротивления вследствие уплотнения дна борозды затылочной фаской; - составляющая сопротивления вследствие отрыва и разделения пласта почвы на отдельные совокупности; - составляющая, обусловленная силами инерции пласта; - составляющая, обусловленная реакциями недеформированной почвы впереди лезвия и весом почвенного пласта. Далее расчетным путем определим взаимозависимость между составляющей внешних сил сопротивления , скоростью движения земледельческого орудия и углом наклона лезвия лемеха к горизонтали для традиционного культиватора-плоскореза [2]. Для условий расчета приняты следующие значения: глубина обработки почвы = 0,4 м; ширина захвата = 1,1 м; коэффициент трения = 0,35; угол наклона затылочной фаски = 60; угол наклона лезвия = 10…450. После расчета по отдельности слагаемых зависимости (3) и их суммирования получена следующая функция двух переменных. При этом значения , изменяемые в процессе отрыва и разделения пласта, не учитывались, так как они определяются экспериментально [3]. Все промежуточные преобразования здесь не приводятся. (4) Для анализа поведения функции с неразделенными переменными изобразим ее графически в соответствующих осях координат. На рис. 2 изображена поверхность отклика функции (4), где - предпочтительные границы для практического использования результатов расчета. Из приведенного на рис. 2 графика следует, что в окрестностях точек наблюдается незначительное увеличение тягового сопротивления. Так, при скоростях движения земледельческого орудия 4-6 м/с (15-20 км/ч) и углах =15…200 тяговое сопротивление изменяется в пределах 5-10 кН. Однако полученные условия остаются трудно реализуемыми в конкретном рабочем органе земледельческого орудия. Конструкционная сложность заключается в исполнении таких углов наклона лезвия к горизонтали, как . Малые углы затрудняют процесс первоначального заглубления земледельческого орудия, увеличивая путь заглубления [1]. Этот недостаток усугубляется при износе лезвия. Образующаяся затылочная фаска на лезвии лемеха при малых углах увеличивает свою площадь, что дополнительно препятствует начальной стадии заглубления орудия. Когда рабочий орган находится на достаточной глубине в обрабатываемой почве, помимо веса орудия на него воздействует и вес расположенного выше пласта почвенного слоя. Тем самым обеспечиваются достаточные условия для устойчивого движения рабочего органа в почве (см. рис. 1). Таким образом, в данном случае техническая задача сводится к обеспечению условий начальной стадии заглубления рабочих органов земледельческих орудий. Поиск технических решений уменьшения углов при соответствующем увеличении скорости движения орудия продиктован целью повышения производительности земледельческого орудия, обеспечивающего необходимые качественные показатели технологического процесса. В качестве рабочей гипотезы принимался поиск такой конструкции земледельческого орудия, которая позволила бы обеспечить в момент заглубления рабочего органа углы вхождения лезвия в почву и при нахождении рабочего органа на требуемой глубине уменьшить эти углы до . При этом процесс изменения углов должен обеспечиваться механизмом самой конструкции. Рассматривались два варианта конструкционных схем земледельческого орудия, предназначенного для глубокого рыхления (плоскорезная обработка) или сплошной культивации. На рис. 3 изображена схема земледельческого орудия с рядным расположением рабочих органов, на рис. 4 - с двухрядным расположением. Каждый вариант конструкции имеет раму 1, рабочие органы 2, закрепленные на осях 3, опорные колеса 4, установленные на водилах 5. Кронштейны водил с помощью тяг 6 соединены со стойками рабочих органов. В начале процесса заглубления стойки рабочих органов отклоняются от вертикали на угол (см. рис. 3, б; 4, б), при этом угол вхождения лезвий равен . Затем посредством реакции на колесо и поворот кронштейнов водила устанавливается угол вхождения лезвий . Фиксация стойки в рабочем положении и обеспечивающее его устройство здесь не рассматриваются. Для оценки работоспособности вариантов конструкции проведен силовой анализ плоского механизма, имеющего одну степень свободы (см. рис. 3, б). Построен рычаг Жуковского для двух положений (см. рис. 3, г) по принципу плана скорости, повернутого на 900. На рис. 3, г рабочее положение показано точками , а начало заглубления - точками . Полюс выбран в точке где располагаются точки . Решая графически систему уравнений (5) находим положение точки на рычаге Жуковского и из пропорции определяем положение точки . В начале заглубления , и в рабочем положении угол принимает нормированное значение. Размеры кронштейнов водил выбираются из соотношения: , (6) где - реакция усилия, действующего на колесо и водила ; - плечи сил рычага Жуковского; - вес земледельческого орудия; - коэффициент перераспределения веса орудия. Исходя из соотношения (6), выбираются длины звеньев соединения стоек с водилами земледельческого орудия. Земледельческое орудие с двухрядным расположением рабочих органов также рассмотрено для двух положений механизмов: рабочее - точки ; начало углубления - точки (см. рис. 4, а, б). Решая графически системы уравнений (7) получаем два плана рычага Жуковского - для рабочего положения и начала заглубления (см. рис. 4, в, г). Начало заглубления характеризуется углом , и в рабочем положении угол принимает нормированное значение. Размеры звеньев механизма выбирают из условий: . (8) Согласно соотношению (8) выбираются длины звеньев соединения стоек рабочих органов с водилами земледельческого орудия. Существенное отличие механизмов на рис. 3 и рис. 4 заключается в значительном увеличении момента при возвращении стойки рабочего органа в рабочее положение (см. рис. 4, в, точки ). Это обстоятельство характеризует достаточную надежность работы механизма, т.е. возвращение стоек в рабочее положение. В заключение следует отметить, что в целях повышения производительности работы земледельческого орудия предпочтительнее увеличение скорости его движения, чем ширины захвата. Последнее требует достаточно ровных рельефов полей, а также увеличенных размеров поворотных полос для работы МТА. Уменьшение углов крошения и повышение при этом скорости движения орудия целесообразно осуществлять с сохранением неизменного энергетического баланса сил, действующих на пласт обрабатываемого почвенного слоя, обеспечивая рыхление и разделение почвы на устойчивые структурные совокупности. Наиболее эффективное использование конструкций земледельческих орудий с самонастраивающимся углом вхождения рабочих органов в почву ожидается для условий уплотненного верхнего слоя почвы или наличия твердой почвенной корки на поверхности, что затрудняет применение традиционных орудий. При двухрядном расположении рабочих органов механизм самонастраивания углов вхождения рабочих органов работает более устойчиво, обеспечивая начало заглубления и возвращение стойки в рабочее положение.