Универсализация лемешно-отвальной поверхности рабочего органа плуга



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Для экономичной обработки почвы при разных скоростях и грунтовых фонах требуются рабочие органы с разными параметрами. Использование плугов с оптимальными параметрами лемешно-отвальной поверхности позволит минимизировать затраты на обработку почвы без снижения ее качества. Рассматриваются такие параметры рабочих поверхностей плуга, как углы установки лемеха, загиб отвала и другие. Регулировка положения рабочего органа плуга путем поворота и смещения позволит получить наиболее рациональный тип лемешно-отвальной поверхности и обеспечит лучшее качество обработки почвенного пласта с использованием одного рабочего органа на различных грунтах и скоростях. Предложен новый способ сравнения топологии двух лемешно-отвальных поверхностей с использованием критериальной фильтр-функции, а также оригинальные методы ввода данных о топологии лемешно-отвальных поверхностей и их аппроксимации полиноминальными зависимостями для сглаживания и обеспечения унимодальности целевой функции оптимизации при использовании метода Хука-Дживса. Получены оптимальные углы поворота рабочих органов плуга (в пределах 12 градусов), при которых отклонения лемешно-отвальной поверхности сравнения и базовой минимальны. Согласно агротехническим и технологическим требованиям по перекрытию ширины захвата рабочих органов между собой, первый рабочий орган плуга закрепляется без смещения, второй в зависимости от реализуемой скорости должен иметь смещение на 70 мм, третий - на 140 мм, четвертый - на 210 мм. Приведены практические результаты использования разработанного способа универсализации лемешно-отвальной поверхности.

Полный текст

Введение Трактор способен совершать работу только в составе агрегата, при этом его техническая производительность во многом определяется параметрами рабочих органов. Для экономичной обработки почвы на различных по физико-механическому составу грунтовых фонах и при работе на разных скоростях требуются рабочие органы с разными параметрами. Использование плугов с оптимальными параметрами лемешно-отвальной поверхности (ЛОП) позволит минимизировать затраты на обработку почвы без снижения качества работы. Рассматриваемые параметры рабочих поверхностей плуга: углы установки лемеха ко дну и стенке борозды, загиб отвала (определяемый разницей между максимальным и минимальным углами направления движения рабочего органа, верхней и нижней образующими отвала) и др. При классической схеме оборота прямоугольное сечение пласта обрабатываемой почвы вращается поочередно около граней пласта. При этом рабочий орган движется с поступательной скоростью. Поэтому пространственная траектория каждой точки пласта почвы представляет собой винтовую линию с некоторым шагом. Если шаг винтовой линии одинаков для каждой точки сечения пласта, то получим винтовую поверхность вращения. При переменном шаге получаемые поверхности называют полувинтовыми или культурными. Шаг S винтовых линий и законы его изменения определяются агротехническими требованиями к обороту пласта b и скорости V0 движения плуга [1-4]. Оптимальная форма ЛОП плуга зависит от скорости V0 его движения. Например, для поверхности культурного типа зависимость шага S ЛОП плуга имеет вид: , где - начальный шаг винтовой линии ; V0 - рабочая скорость поступательного движения плуга; b0 - ширина захвата корпуса плуга; g - ускорение свободного падения; b - радиус вращения почвенного пласта; μ - угол наклона поперечного сечения пласта по ходу движения корпуса. Для ЛОП полувинтового типа закон изменения шага [4, 5]: . С увеличением скорости V0 возрастает значение шага S, что приводит к уменьшению углов наклона горизонтальных образующих к стенке борозды, что сказывается на качестве вспашки [1-3]. Цель исследования Регулировка положения рабочего органа плуга дает возможность получить наиболее рациональный тип ЛОП для обеспечения наилучшего качества обработки почвенного пласта, а также использовать один рабочий орган для различных типов грунтов и рабочих скоростей. В связи с этим основная задача исследования - разработка универсального рабочего органа плуга для работы на различных скоростях и типах почв с использованием одной и той же ЛОП путем ее пространственного поворота и смещения. Теоретические исследования Для универсализации ЛОП плуга определим такие перемещения, которые необходимо применить для ЛОП, спроектированной для работы на скорости V1, чтобы максимально приблизить ее к ЛОП, предназначенной для работы на скорости V2. Для этого разработан следующий алгоритм поворота (рис. 1): 1) обе ЛОП (базовая и сравнения) аппроксимируются методом наименьших квадратов набором плоскостей; 2) определяются нормали к этим плоскостям; 3) нормали совмещаются путем выполнения ряда последовательных поворотов базовой поверхности: - поворот вокруг оси z на угол ψ (новую систему координат обозначим как x´y´z´) [7, 8]; - поворот относительно оси хʹ на угол θ (новую систему координат обозначим как x˝y˝z˝); - поворот относительно оси z˝ на угол j. Матрица преобразования координат имеет вид [3]: , где ; ; ; ; ; ; ; ; . После окончательного поворота ЛОП находим координаты точек новой поверхности: , где х, у, z - координаты точек базовой ЛОП в исходной системе координат; x1, у1, z1 - координаты ЛОП сравнения после серии последовательных поворотов. Полученная поверхность будет максимально приближена к требуемой ЛОП для работы со скоростью V2. Для решения задачи оптимизации положения ЛОП сравнения по отношению к базовой ЛОП выбран метод координатного спуска Хука-Дживса, обладающий рядом достоинств: - не нужно вычислять градиент целевой функции; - сама функция может быть задана любым способом; - удобство реализации на ЭВМ [7, 9]. На основе выбранного метода проведены численные расчеты, позволившие получить необходимые углы поворота и смещения вдоль трех осей. Для каждого типа ЛОП определены оптимальные углы между стенкой борозды и лемехом рабочего органа: - 36°для скоростной; - 40° для полувинтовой (винтовая ЛОП представляет собой ее разновидность); - 44° для культурной; - 48° для цилиндрической. Таким образом, для работы на различных технологических скоростях движения агрегата поворот рабочих органов должен производиться в пределах угла 12°. Величина боковых перемещений а, соответствующая этому углу, составляет 70 мм. Согласно агротехническим и технологическим требованиям по перекрытию ширины захвата рабочих органов между собой, первый рабочий орган плуга закрепляется без какого-либо смещения, второй в зависимости от реализуемой скорости должен иметь смещение на величину а, третий - 2а, четвертый - 3а (рис. 2). Изменение угла установки рабочего органа к стенке борозды позволяет получить наиболее рациональный тип ЛОП. Практическая реализация Для осуществления способа определения и регулирования параметров ЛОП рабочего органа плуга для работы на различных типах почв и скоростях движения агрегата предложен целый ряд технических решений, новизна которых защищена патентами РФ [10-12, 14]. Суть способа заключается в регулировании углов, характеризующих ЛОП. Вначале с помощью компьютера определяют значение угла установки лемеха плуга к стенке борозды и величину его бокового перемещения в зависимости от скорости движения агрегата. Для этого параметры базовой ЛОП, предназначенной для работы на первой заданной скорости движения тракторного агрегата, и параметры ЛОП, предназначенной для работы на второй заданной скорости, заносят с помощью программы в компьютер. Далее графически строят обе ЛОП, аппроксимируют их плоскостями и определяют нормали к последним. Затем, совмещая полученные нормали, определяют числовое значение угла установки рабочего органа к стенке борозды и величину его бокового перемещения, на которое необходимо повернуть и переместить базовую ЛОП в соответствии с заданной скоростью движения и агротехническими и технологическими требованиями по перекрытию ширины захвата рабочих органов между собой. Полученные параметры ЛОП устанавливают, регулируя базовую ЛОП рабочих органов плуга путем последовательных поворотов и перемещений. Регулирование угла установки рабочего органа к стенке борозды на универсальном плуге осуществляется с помощью системы управления, состоящей из гидроцилиндра и телескопического кронштейна для соединения рабочего органа и несущего бруса (рис. 3). Телескопические кронштейны представляют собой трубы квадратного сечения с зазором между трубами 1-2 мм. Один конец кронштейна жестко закреплен на верхней плите плуга, другой имеет возможность свободного перемещения с последующей фиксацией. Количество фиксирующих отверстий на телескопических квадратных трубах верхней и нижней плит соответствует четырем стандартным углам установки рабочего органа к стенке борозды для четырех ЛОП: цилиндрической, культурной, полувинтовой и винтовой. Поворот рабочего органа осуществляется с помощью винтовой стяжки, шарнирно соединенной со стойкой рабочего органа. Все рабочие органы плуга соединены между собой рычагом, установленным на осях телескопических кронштейнов с зазором и возможностью вращения относительно оси первого рабочего органа, закрепленного без возможности бокового перемещения. Отвальный плуг с изменяемыми параметрами ЛОП регулируется в зависимости от почвенно-климатических условий, которые могут изменяться в больших пределах за довольно короткое время. Регулирование параметров ЛОП включает задание необходимых углов установки рабочего органа к стенке борозды. По разработанным чертежам на заводе «Станкомаш» изготовлены опытные образцы ЛОП, которые прошли натурные испытания в учебном хозяйстве ЧИМЭСХ. Результаты испытаний свидетельствуют о работоспособности предложенного метода перемещения ЛОП в пространстве [15]. Заключение Предложенный способ универсализации ЛОП путем пространственного поворота для работы на различных типах почв и скоростях движения агрегата заключается в следующем [16]: 1) имеющаяся базовая поверхность, предназначенная для работы на скорости V1, аппроксимируется некоторыми плоскостями, и определяются нормали к плоскостям; 2) поверхность, предназначенная для работы на другой скорости V2, меньшей или большей, может быть либо задана экспериментально, либо получена расчетным путем; она также аппроксимируется некоторыми плоскостями, определяются нормали к плоскостям; 3) полученные нормали совмещаются путем последовательных поворотов нормалей базовой поверхности вокруг осей z и x, и определяются углы, на которые нужно повернуть базовую ЛОП, чтобы ее пространственные параметры стали максимально близки к искомой поверхности; 4) контроль качества совпадения поверхностей осуществляется сравнением координат точек этих поверхностей; 5) полученные параметры пространственного поворота и перемещения ЛОП выставляются на реальном плуге при помощи соответствующих механизмов.
×

Об авторах

В. В Бледных

Южно-Уральский государственный аграрный университет

Email: mail@csaa.ru
д-р техн. наук Челябинск, Россия

П. Г Свечников

Южно-Уральский государственный аграрный университет

Email: mail@csaa.ru
д-р техн. наук Челябинск, Россия

И. П Трояновская

Южно-Уральский государственный аграрный университет; Южно-Уральский государственный университет

Email: tripav63@mail.ru
д-р техн. наук Челябинск, Россия

Список литературы

  1. Blednykh V., Svechnikov P. Theoretical foundations of tillage. Tillers and aggregates. New York: Nova Science Publ. Inc., 2014, 174 р.
  2. Blednykh V., Svechnikov P. Economic reasons of tillage quality // European science review, 2014, no. 7-8, pp. 103-105.
  3. Blednykh V.V., Svechnikov P.G., Troyanovskaya I.P. Analytical model of soil pulverization and tillage tools // Procedia Engineering, 2015, no. 129, pp. 69-74. doi: 10.1016/j.proeng.2015.12.010.
  4. Blednykh V., Svechnikov P. Theory of a tillage wedge and its applications. Berlin: Logos Verlag Berlin GmbH, 2013, 94 p.
  5. Бледных В.В. Кинематика отвальной вспашки. Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов // Труды ЧИМЭСХ, 1983. С. 9-17.
  6. Бледных В.В. Совершенствование рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе математического моделирования технологических процессов: Дис. … д-ра техн. наук. Л., 1989. 230 с.
  7. Заляпин В.И. Методы оптимизации. Челябинск: Челябинский ГУ, 1993. 101 с.
  8. Мантуров О.В., Матвеев Н.М. Курс высшей математики. М.: Высшая школа, 1986. 480 с.
  9. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование. Механические системы и конструкции: Монография / Пер. с англ. под ред. Н.В. Баничука. М.: Мир, 1983. 478 с.
  10. Бледных В.В., Свечников П.Г. Использование одной лемешно-отвальной поверхности для работы на разных скоростях // Вестник ЧГАА. 2013, т. 63. С. 9-16.
  11. Бледных В.В., Свечников П.Г., Граков Ф.Н. и др. Способ определения и регулирования параметров лемешно-отвальной поверхности рабочего органа плуга для работы на различных скоростях движения агрегата и устройство для регулирования параметров лемешно-отвальной поверхности рабочего органа плуга. Патент РФ № 2528042, 2014.
  12. Бледных В.В., Свечников П.Г., Граков Ф.Н. Способ определения и регулирования параметров лемешно-отвальной поверхности рабочего органа плуга для получения заданной степени крошения почвы при отвальной обработке и устройство для их регулирования на рабочем органе плуга. Патент РФ № 2535864, 2014.
  13. Бледных В.В., Граков Ф.Н., Нечаев П.С. и др. Отвальный плуг с регулировкой лемешно-отвальной поверхности рабочих органов. Патент РФ № 2462013, 2012.
  14. Бледных В.В., Рахимов Р.С., Свечников П.Г. и др. Рабочий орган отвального плуга с регулируемыми параметрами лемешно-отвальной поверхности. Патент РФ № 2488258, 2013.
  15. Бледных В.В., Свечников П.Г., Рахимов Р.С. и др. Плуг с регулируемыми параметрами лемешно-отвальной поверхности рабочих органов. Патент РФ № 2470503, 2012.
  16. Blednykh V.V., Svechnikov P.G., Troyanovskaya I.P. Moldboard surface universalization of the ploughshare operating unit // Procedia Engineering, 2016, no. 150, pp. 1297-1302. doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.297.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Бледных В.В., Свечников П.Г., Трояновская И.П., 2016

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.