Experimental study of the elastic S-shaped cultivator rack

Full Text

Введение В настоящее время необходимо улучшать способы и системы поверхностной обработки почвы, использовать более совершенные сельскохозяйственные машины [1]. К ним относятся комбинированные машины и агрегаты, эксплуатация которых повышает качество выполнения технологических операций обработки почвы, сокращает число проходов по полю, потери времени на холостые проходы и заезды, денежные и трудовые затраты, увеличивает производительность труда [2]. Значительный интерес представляют исследования современных комбинированных культиваторов, оснащенных упругими стойками. Рабочие органы на упругих стойках, встречая в процессе работы переменное сопротивление почвы, совершают вынужденные колебания. Это приводит к улучшению качества крошения почвы и снижению тягового сопротивления [3]. Однако лапы на упругой подвеске при работе имеют отклонение от установленной глубины обработки на 10-15 % больше, чем при жесткой подвеске, и не сохраняют оптимальную геометрию резания [4]. Поэтому поиски научно-обоснованных путей решения задач повышения эффективности работы агрегатов для поверхностной обработки почвы, культиваторами с упругими стойками являются актуальными. Цель исследования Повышение качества и снижение энергозатрат поверхностной обработки почвы путем регулирования и оптимизации жесткости упругой стойки культиватора. Материалы и методы За объект исследования выбрана упругая S-образная стойка культивтора. Рабочий орган на упругой S-образной стойке взаимодействует с обрабатываемой средой - почвой. В процессе ее разрушения возникают реакции и моменты сопротивления, которые при лабораторных исследованиях являются выходными параметрами. Определяющими факторами работы упругой S-образной стойки являются материал, форма и размеры ее сечения, глубина обработки, скорость, жесткость стойки и др. Для изучения работы S-образной стойки нами принят метод полного факторного эксперимента, позволяющий получить математическую модель с учетом выбранных контролируемых параметров. За параметры оптимизации Y. работы упругой S-образной стойки приняли тяговое усилие и отклонение носка лапы от заданной глубины обработки [5]. Тяговое усилие и отклонение от заданной глубины обработки как параметры оптимизации соответствуют следующим требованиям: - их значения изменяются при любом изменении факторов работы S-образной пружинной стойки в почве; - это статистически эффективные параметры, т.е. измеряются с наибольшей точностью, что позволяет сократить до минимума повтор-ность опытов. За контролируемые переменные принимали факторы, характеризующие свойства работы упругой S-образной стойки и имеющие определенные численные значения, для которых вводили следующие обозначения: h - глубина обработки, м (х1); V - скорость движения стойки, м/с (х.); К - жесткость стойки, кН/м (х,). v 2У' жест ' v 3У При определении величин количественных оценок во внимание принимали только те факторы, которые влияют на работу упругой S-образной стойки. Интервал варьирования факторов х1, х2 обуславливался агротехническими требованиями к предпосевной обработке почвы, энергетическими и скоростными характеристиками трактора. Границу изменения фактора х3 определяли по результатам проведения пассивного эксперимента. Связь параметров оптимизации с факторами рабочего процесса в общем виде запишется: Ртяг; ЛН = f (h, V,Кжест,...). Выбранные факторы рабочего процесса отвечают следующим требованиям: - все факторы управляемые, т.е. позволяют устанавливать требуемое значение и поддерживать его постоянным в течение опыта; - для всех факторов выполняются условия совместимости, т.е. такое условие, при котором возможное их взаимное влияние не вызывает нарушения работы упругой S-образной стойки в почве; - все факторы независимые, т.е. обладают возможностью их установки на любом уровне независимо от уровней других факторов; - все факторы однозначны, т.е. не являются функцией других; - все факторы непосредственно воздействуют на параметр оптимизации; - точность установления граничных значений факторов максимально высокая. При проведении многофакторного эксперимента по определению рациональных режимов работы упругих S-образных стоек в почве приняли факторы и уровни их варьирования, приведенные в табл. 1. Сочетание факторов и полученные результаты опытов при исследовании тягового сопротивления упругой S-образной стойки с регулятором жесткости представлены в табл. 2. После расчета и исключения незначимых коэффициентов получено уравнение регрессии: Р = -72,3 + 5890,62-к + 26,25-V-6,25 K . ' ' ' ' жест На рис. 1 приведены графики зависимости тягового усилия от жесткости стойки, скорости и глубины обработки почвы, полученные при многофакторном эксперименте. Сочетание факторов и полученные результаты опытов при исследовании влияния режимов работы упругой S-образной стойки в почве на отклонения носка лапы представлены в табл. 3. Рис. 1. График зависимости тягового усилия упругой S-образной стойки от глубины обработки почвы и жесткости стойки: а - V = 2 м/с; 6 - V = 3 м/с Номер опыта Факторы Комбинации факторов Значение параметра оптимизации (тяговое сопротивление Ртяг, Н) Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х1 Х2 Х3 Y1 1 + - - - + + + - 100 110 100 110 2 + + - - - - + + 520 540 520 540 3 + - + - - + - + 130 120 110 120 4 + + + - + - - - 550 550 560 570 5 + - - + + - - + 150 140 160 160 6 + + - + - + - - 650 670 660 660 7 + - + + - - + - 170 180 190 180 8 + + + + + + + + 680 690 700 710 Получено уравнение регрессии для определения отклонения упругой S-образной стойки: АН = 0,0257 + 0,1933 • h + + 0,0030 -V - 0,0017 • ^жест. На рис. 2 приведены графики зависимости отклонения носка лапы упругой S-образной стойки от ее жесткости, скорости и глубины обработки, полученные при многофакторном эксперименте. Результаты и обсуждение Анализ полученных результатов экспериментов показывает, что при увеличении глубины обработки от 0,04 до 0,12 м при скорости 2 м/с тяговое сопротивление S-образной стойки возрастет с 95 до 646 Н, а при скорости 3 м/с - с 105 до 670 Н (рис. 1). Следует заметить, что увеличение жесткости стойки с 6226 до 21815 Н/м, приводит к снижению тягового сопротивления на 100 Н. С увеличением глубины обработки и скорости агрегата отклонение носка лапы увеличивается. При увеличении жесткости стойки [6] отклонение носка лапы уменьшается (рис. 2). Максимальное отклонение наблюдается при скорости 3 м/с, глубине 0,12 м, жесткости стойки 6826 Н/м. Выводы Установлено, что на тяговое сопротивление и отклонение носка лапы рабочего органа на упругой S-образной стойке большое влияние оказывают глубина обработки, рабочая скорость агрегата и жесткость стойки. С увеличением глубины обработки, скорости агрегата и уменьшением жесткости стойки тяговое сопротивление и отклонение носка лапы рабочего органа увеличиваются. При глубине обработки до 0,05 м, скорости агрегата 12 км/ч и выполнении агротехнических требований необходимо установить регулятор жесткости так, чтобы жесткость стойки составляла 14320,5 Н/м, а при обработке на глубину 0,105 м и больше - не менее 21815 Н/м.

About the authors

S. E Fedorov

N.P. Ogarev Mordovia State University

Email: seregafedorov1989@mail.ru
PhD in Engineering

M. N Chatkin

N.P. Ogarev Mordovia State University

Email: seregafedorov1989@mail.ru
DSc in Engineering

A. A Zhalnin

N.P. Ogarev Mordovia State University

Email: seregafedorov1989@mail.ru

N. A Zhalnin

N.P. Ogarev Mordovia State University

Email: seregafedorov1989@mail.ru

References

Supplementary files