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

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

Supplementary files