Modeling the operation of a screw L-shaped knife of a tiller

Full Text

Введение Выбор рационального и эффективного способа обработки почвы является основой для обеспечения энергосберегающих технологий сельскохозяйственного производства. Одну из ведущих ролей в этом процессе играет использование фрезерных почвообрабатывающих машин с приводом рабочих органов от вала отбора мощности трактора. В системе современной почвообработки машины с активными рабочими органами (фрезы, бороны) позволяют наиболее полно и рационально использовать весь диапазон мощности двигателя энергонасыщенных тракторов. Почвообрабатывающие фрезы давно зарекомендовали себя с положительной стороны. Анализ исследований показал эффективность обработки почвы этими машинами, в частности тяжелыми по механическому составу. Достоинства фрезерных машин: хорошие крошение почвы, заделка удобрений и растительных остатков, уничтожение сорняков. В результате получаем условия для оптимального роста и развития растений путем улучшения водно-воздушного и теплового режимов почвы, ее структурности. Однако фрезы не избежали недостатков, которые ограничивают их широкое применение на полях сельскохозяйственных предприятий. К ним можно отнести: большой вес, недостаточная надежность отдельных узлов конструкции, высокое значение энергоемкости процесса фрезерования почвы [1]. Фрезы комплектуются ножами различной формы: Г-образные, прямые, изогнутые, геликоиды, рыхлящие ножи и др. Анализ конструктивных схем и технических характеристик современных почвообрабатывающих фрез показал, что наиболее распространены Г-образные ножи, которые универсальны и несложны в изготовлении. Однако они отрезают почвенную стружку и перерезают сорняки без условия скольжения, что чревато повышением энергоемкости и забиванием растительностью. Прямые ножи при входе в почву соприкасаются с ней всей длиной лезвия, приводят к возникновению ударных напряжений в конструкции ножей и элементах привода фрезы [2]. Геометрические размеры Г-образных ножей изменяются в широких пределах, а форма их очень разнообразна. Так, угол стреловидности вертикальной стойки е0 = 30...90°, подрезающей части е0 = 35...90°, радиус загиба r = 0,015^0,08 м; режущая кромка вертикальной стойки и подрезающей части у некоторых типов фрез прямолинейная, у других же - криволинейная (винтовая в том числе) [3]. Поэтому актуальной является задача повышения технического уровня почвообрабатывающих фрез с целью снижения энергоемкости при высоких показателях качества обработки почвы. В статье рассмотрим вопросы выбора и обоснования оптимальных конструктивно-технологических параметров рабочих органов (ножей) фрез. Эти параметры в основном определяют энергозатраты работы фрезы, качество обработки почвы и нагрузки в узлах привода. Чтобы обеспечить постоянство угла установки плоскости крыла ножа в любой точке лезвия, получить ровное дно борозды и безударное вхождение лезвия в почву (при условии скользящего резания), лезвие ножа выполняем по винтовой линии. Нож фрезы, имеющий винтовую поверхность (в зоне загиба и крыла), показан на рис. 1 [4]. Уравнения винтовой линии режущей кромки для указанного ножа имеют следующий вид [5]: (1) x = R ■ sin (а + u); ] y = -R ■cos (а + u); z = R ■ tgx u, где u - переменный угловой параметр, определяющий величину угла поворота образующей вокруг оси ротора; R - радиус ротора; т - угол подъема винтовой линии; а - угол установки. Из уравнений (1) следует, что расстояние R от линии лезвия ножа до оси барабана и угол ее подъема постоянны. Если лезвие ножа выполнено по винтовой линии, то угол между касательной в любой точке лезвия ножа и перпендикуляром к радиусу R в плоскости вращения везде постоянен. С использованием приведенных уравнений и конструктивно-технологических параметров фрезы ФА-0,76 сконструированы и изготовлены ножи с винтовыми элементами. Нельзя создать качественные и надежные узлы и детали почвообрабатывающих орудий без их всестороннего инженерного анализа, который сейчас выполняется с помощью современных программных средств и способствуют принятию на его основе грамотных конструкторских решений. Под инженерным анализом понимается исследование напряженно-деформированного состояния моделей проектиру- емых ножей фрезерных машин, получение их динамических характеристик и характеристик устойчивости при постоянных и переменных режимах внешнего нагружения. Цель исследования Целью исследования является повышение качества и снижение энергозатрат обработки почвы путем выбора оптимальных параметров винтовых Г-образных ножей фрезы. Материалы и методы За объект исследования выбран винтовой нож фрезы, закрепленный на диске фрезбара-бана. Нож фрезы взаимодействует с обрабатываемой средой - почвой. В процессе отрезания и деформации почвы возникают реакции и моменты сопротивления. Для изучения процесса нагружения ножа наиболее эффективным приближенным методом является метод конечных элементов, с учетом выбранного контролируемого параметра (угла установки лезвия ножа у). Для полноценного конечно-элементного анализа необходимо [6]: - построить модель проектируемого винтового ножа в трехмерном пространстве (рис. 2); - привести разбиение модели ножа на конечные элементы (рис. 3); - выполнить весь комплекс необходимых вычислений; - определить узловые смещения, деформации и напряжения в разных областях конструкции винтового ножа фрезы. - визуализировать полученные результаты и корректно интерпретировать их с целью принятия правильных конструкторских решений. Реализация метода конечных элементов заключается в следующем: целостная модель конструкции винтового ножа заменяется дискретной путем разбиения ее на области - конечные элементы. В каждой области поведение модели описывается с помощью отдельного набора функций, представляющих собой напряжения и перемещения. Конечные элементы соединяются узлами. Взаимодействие конечных элементов друг с другом осуществляется только через узлы. Конечные элементы, расположенные определенным образом, в зависимости от конструкции объекта, закрепленные в соответствии с граничными условиями, позволяют адекватно описать все многообразие моделей конструкций и деталей [6]. К конечному элементу могут быть приложены внешние нагрузки (сосредоточенные и распределенные силы и моменты), которые приводятся к узлам данного элемента и носят название узловых нагрузок. При расчетах винтового ножа методом конечных элементов вначале определяются перемещения узлов его модели. Величины внутренних усилий в элементе пропорциональны перемещениям в узлах элемента. Коэффициентом пропорциональности выступает квадратная матрица жесткости элемента, количество строк которой равно числу степеней свободы элемента (в общем случае это есть произведение числа степеней свободы в узле на число узлов элемента). Все остальные параметры конечного элемента, такие как внутренние усилия, напряжения, поле перемещений и т.п., вычисляются на основе его узловых перемещений. Основными типами применяемых на практике конечных элементов являются: стержневые, пластинчатые, объемные, специальные (типа совместных перемещений или упругих связей). Для проведения расчета, с учетом условий работы ножа фрезерного культиватора, были заданы следующие параметры: материал ножа - сталь 65Г, модуль упругости Е = 212000 МПа, модуль сдвига G = 82000 МПа, твердость НЯС = 46...52. Также были заданы геометрические параметры винтового ножа для фрезы ФА-0,76, полученные с учетом теоретических исследований [7]. Максимальная нагрузка Р выбиралась с учетом удельного сопротивления почвы и была принята за 2000 Н. Интервал изменения нагрузки - 500 Н. Закрепление ножа на диске принимаем с углами установки лезвия у = 35° и у = 60° (рис. 4). Рассмотрим напряжения, возникающие в рабочем органе при отрезании почвенной стружки. Движение ножа в почве носит сложный характер, поэтому величину деформации будем рассматривать в направлении трех осей координат. Линейные перемещения (деформации), возникающие в различных элементах конструкции винтового ножа при воздействии приложенных нагрузок (Р = 2000 Н) в зависимости от величины угла установки, показаны на рис. 5 и 6. Результаты автоматизированного расчета перемещений элементов конструкции ножа сведены в табл. 1. На рис. 7 приведена зависимость линейных перемещений S от величины прилагаемой нагрузки P и величины угла установки лезвия у рабочего органа. Линейные перемещения имеют наибольшие значения по оси OY на крыле ножа, выполняющем завершающую часть процесса отрезания почвенной стружки. Суммарные линейные перемещения S имеют меньшую величину (0,6978 мм) при использовании ножа с углом установки лезвия у = 60°. Приведем распределение величины коэффициента запаса по прочности в элементах конструкции ножа. Знание величины коэффициента запаса прочности необходимо для того, чтобы обеспечить безопасную, надежную Рис. 7. Зависимость суммарных линейных S перемещений от нагрузок Р и угла установки у винтового ножа работу конструкции и отдельных ее частей, несмотря на возможные неблагоприятные отклонения действительных условий их работы от расчетных. На рис. 8 и 9 показаны распределения коэффициента запаса прочности по конструкции рабочего органа в зависимости от степени нагруже-ния (Р = 2000 Н) и угла установки лезвия ножа. Результаты автоматизированного расчета коэффициента запаса прочности конструкции винтового ножа сведены в табл. 2. Общий коэффициент запаса прочности (и) расчленяем на ряд составляющих, частных коэффициентов запаса прочности, каждый из которых отражает влияние на прочность элемента конструкции какого-либо определенного фактора или группы факторов. Например, один из коэффициентов отражает возможные отклонения механических характеристик материала от принимаемых в качестве расчетных, другой - отклонения величин действующих нагрузок от их расчетных значений и т.д. На рис. 10 приведены зависимости величины предела прочности конструкции ножа от его угла установки лезвия и степени нагрузки на него. Для винтового рабочего органа с углом установки лезвия у = 60° значения коэффициента запаса прочности выше, чем для ножа с у = 35° по всем ступеням нагрузки (Р = 500, 1000, 1500 и 2000 Н). Следовательно, для практического применения более подходящим является нож с углом установки лезвия у = 60°. Результаты и обсуждение Анализ полученных данных моделирования процесса нагрузки ножа с винтовой поверхностью показывает, что при использовании рабочего органа с углом установки лезвия у = 60° линейные перемещения (деформации) по осям OX, OY и OZ имеют меньшие значения, чем с ножом, имеющим угол установки у = 35°. В итоге, суммарные перемещения ножа с у = 60° составили на 18 % меньше (0,6978 мм), чем у ножа с у = 35° (0,8455 мм). Активный рабочий орган с большим углом установки лезвия показал лучшие результаты по коэффициенту запаса прочности элементов конструкции на всех ступенях нагружения (и = 1,36 при Р = 2000 Н). Винтовой нож с у = 35° показал следующий результат: n = 1,206 при Р = 2000 Н. Разница составила 11,32 %. Выводы 1. Переднюю грань лезвия Г-образного ножа фрезерного культиватора следует устанавливать под определенным углом у. Чтобы сохранить этот угол постоянным в процессе отрезания почвенной стружки, получить ровное дно борозды, обеспечить безударное вхождение лезвия ножа в почву, его необходимо выполнить по винтовой линии. 2. Если лезвие ножа выполнено по винтовой линии, то расстояние R от линии лезвия до оси барабана, угол ее подъема постоянны. Это определяет условие, когда угол между касательной в любой точке лезвия ножа и перпендикуляром к радиусу R в плоскости вращения везде постоянен. 3. На этапе проектирования ножей фрезерного культиватора для получения рациональных параметров целесообразно использовать метод конечных элементов из пакета библиотеки программы КОMПAС-3D. 4. По результатам моделирования наиболее подходящим для практического применения оказался рабочий орган, имеющий угол установки у = 60°. Параметры ножа обеспечивают условие скользящего резания и снижение энергоемкости фрезерования при высоком качестве обработки почвы.

About the authors

S. B Dranyaev

N.P.Ogarev Mordovia State University

Email: s.dranyaev2010@yandex.ru

M. N Chatkin

N.P.Ogarev Mordovia State University

Email: s.dranyaev2010@yandex.ru
DSc in Engineering

S. M Koryavin

N.P.Ogarev Mordovia State University

Email: s.dranyaev2010@yandex.ru

References

Supplementary files