Speed energy-saving cultivator

Full Text

Введение В качестве рабочих органов культиваторов используют стрельчатые лапы (рис. 1). Они состоят из стойки и лемеха, выполняющего функцию ножа и рыхлителя. Основные характеристики стрельчатой лапы: ширина захвата , угол раствора лезвий лемеха 2γ, угол крошения α, угол наклона крыла к горизонтальной плоскости ԑ. Для плоскорежущих стрельчатых лап α = 8…10°; ԑ = 15…18°; для рыхлительных α = 15…18°; ԑ = 25…30° [1]. Угол 2γ варьируется в пределах от 60 до 70°, глубина хода стрельчатых лап (глубина обработки почвы) - до 0,1-0,12 м. В процессе работы культиватора возникают негативные явления: происходит смещение почвы в стороны, образование бороздок, вынос влажной почвы на дневную поверхность. Из-за расположения копирующих элементов культиватора на расстоянии от рабочих органов возрастает вариабельность глубины обработки. Цель исследования Цель исследования заключается в обосновании инновационного технического решения скоростного энергосберегающего культиватора, позволяющего четко выдерживать глубину обработки почвы. Материалы и методы В процессе работы культиватора и лемех, и стойка воздействуют на почву. При воздействии лемеха (рис. 2, а) образуются две составляющие силы F: касательная Fк и нормальная Fн, которая приводит к появлению силы трения . В результате сдвига почвы в стороны создается невыровненная поверхность. При воздействии стойки на почву (рис. 2, б) возникают сила нормального давления и сила трения . Равнодействующая этих сил приводит к отбрасыванию почвы, образованию бороздки, выносу влажной почвы на поверхность. Величину отбрасывания почвы стойкой можно определить по формуле: где - скорость рабочего движения культиватора, м/с; - коэффициент трения почвы о поверхность стойки; - угол схода почвы со стойки, град. Чтобы получить = 0, нужно исключить взаимодействие стойки с почвой. В общем случае среднее квадратическое отклонение глубины обработки почвы можно представить как: где - удельное сопротивление почвы, Н/м2; - объем почвы, отбрасываемой лемехом и стойкой, м3; , Г - твердость почвы, Па, и гребнистость, м, в зоне перемещения копирующих органов культиватора; - расстояние от копирующих до рабочих органов, м. Исходя из зависимости (1), для уменьшения вариабельности глубины обработки нужно исключить отбрасывание почвы лемехом и стойкой (. Для этого стойка должна располагаться выше поверхности почвы и не взаимодействовать с ней. Лемех должен иметь угол крошения α = 0, а почвообрабатывающий элемент - осуществлять разнонаправленное воздействие на почву в паре с лемехом, не вынося почву на поверхность [2]. Чтобы исключить влияние копирующего элемента (, нужно совместить копирующие функции с рабочими. Результаты и их обсуждение Обоснованным требованиям в значительной степени соответствует комбинированный рабочий орган культиватора, представленный на рис. 3. Характеристика лемеха Лемех представляет собой плоскорежущий нож с углом крошения α = 0°, выполненный в виде равнобедренного треугольника. Угол раствора лезвий лемеха 2γ = 60°, угол заточки 10°. Угол γ определяет как ширину захвата лемеха, так и его длину. Для снижения смещения почвы и более эффективного подрезания почвы и сорняков угол γ нужно уменьшать. Однако при заданной ширине захвата уменьшение γ приводит к увеличению длины лемеха [3]: Увеличение может приводить к налипанию почвы на лемех, смазыванию дна бороздки. Поэтому угол γ устанавливают в пределах 30-35°. Ширину захвата лемеха определим по формуле: где - ширина захвата культиватора, м; - количество грядилей на культиваторе, шт.; - перекрытие между лемехами, м. Для культиватора с шириной захвата В = 4 м ширина захвата лемеха = 0,36 м. Толщина лемеха 5 мм, материал - сталь 65Г. Удерживающую способность лемеха определим по формуле: где - удельное давление на почву, не приводящее к образованию колеи, Па; - площадь лемеха, м2. Отсюда Получим = 158 Н. Усилие, с которым лемех давит на почву: где - масса рабочего органа и части секции, кг. Если , лемех будет свободно перемещаться по поверхности почвы, не заглубляясь в нее. Таким образом, лемех выполняет функцию копирующего элемента, а расположенная на нем почвообрабатывающая спираль - рабочую функцию. Следовательно, l = 0 и показатель стабильности глубины обработки Характеристика почвообрабатывающей спирали Почвообрабатывающая спираль выполнена в виде пружины сжатия, которую навивают на задний обрез лемеха. Ввиду того, что обработка почвы предусматривается на глубину 0,04-0,05 м, принимают наружный диаметр спирали D = 50 мм. Диаметр проволоки d = 3…4 мм, материал проволоки - сталь 60С2А. Шаг спирали: где - угол наклона винтовой линии почвообрабатывающей спирали, град. Для того чтобы почва крошилась и не происходило забивания спирали, принимаем t = D. Тогда Витки почвообрабатывающей спирали пропускают сквозь косые отверстия, просверленные в лемехе (см. рис. 3, г). Усилие, необходимое для заглубления спирали: где - скорость рабочего движения культиватора, км/ч; км/ч - начальная скорость; = 0,02…0,03 - скоростной коэффициент, (км/ч)-1; - удельное сопротивление почвы, Н/м2. Подставив в формулу (2) известные значения, определим усилие при работе культиватора со скоростью 16 км/ч. Получим = 209 Н. Характеристика наральника Нижняя часть наральника 4 (см. рис. 3), до его крепления к стойке, выполнена криволинейной: заход под 26° к горизонтали, выход к стойке под 90°. Верхняя часть 5 выполнена как поверхность Мебиуса, что обеспечивает сброс со стойки срезанной растительности. Благодаря тому, что лента Мебиуса плоская, без кривизны и впадин, растительность свободно перемещается по ней. Угол δн установки нижней части наральника к горизонтальной плоскости определяется углом трения растительности о стальную поверхность наральника [4]: Высоту наральника можно определить, исходя из равенства кинетической и потенциальной энергий при подъеме растительной массы: Отсюда Получим Характеристика пластинчатого пружинного грядиля Исходя из конструкционных соображений, примем сечение грядиля = 80 мм; = 8 мм. Тогда длина грядиля: где Е = 2,12·1011- модуль упругости, Па. Подставив известные значения, получим = 0,8 м. Концевая часть грядиля установлена шарнирно. На ней расположены два прямоугольных отверстия, в которые вставляются стойки лап. Концевая часть не перемещается вверх, а вниз поворачивается на угол 30°. Перед началом работы путем удлинения центральной тяги навесного устройства трактора грядиль в зоне стоек лап опускают на D = 50 мм. При заглублении спирали в почву грядиль прогибается, поднимая концевую часть на 50 мм, и устанавливается в горизонтальном положении. Известно, что производительность культиватора: где - скорость рабочего движения, м/с; - ширина захвата культиватора, м. Производительность можно повышать, увеличивая либо скорость, либо ширину захвата. Однако увеличение ширины захвата снижает эксплуатационную надежность, а значит, и сменную производительность, уменьшает маневренность. Усложняется конструкция, так как необходимо выдерживать транспортную ширину захвата. Увеличивается материалоемкость вспомогательных частей по сравнению с рабочей частью машины. С увеличением скорости растет устойчивость хода машины, увеличивается импульс сил в направлении движения, что приводит к улучшению качественных показателей. Поэтому эффективнее увеличивать скорость рабочего движения до 4-5 м/с при меньшей ширине захвата, сохраняя высокую производительность. Оптимальной для энергосберегающего скоростного культиватора (рис. 4) можно считать ширину захвата В = 4 м. Стойки лап на соседних грядилях поочередно вставляют в передние и задние отверстия концевых частей, чтобы обеспечить необходимое перекрытие лемехов. При поднятии культиватора на поворотной полосе концевые части грядилей, установленные шарнирно, поворачиваются на 30° вниз (рис. 5). С наклоненных лемехов сходят остатки сорняков и попавшая на них почва. Происходит самоочистка. При заезде на участок культиватор опускают на ходу, спираль заглубляется, и грядиль под действием реакции почвы устанавливается в горизонтальном положении. Грядиль в виде пластинчатой пружины обеспечивает перемещение лемеха по поверхности почвы, а спирали в почве осуществляют рыхление и создание мелкокомковатой структуры верхнего слоя. При этом витки спирали воздействуют на комки почвы путем растяжения, что существенно снижает затраты энергии [5]. Вывод При работе скоростного энергосберегающего культиватора происходит выравнивание поверхности, почвообрабатывающая спираль осуществляет рыхление верхнего слоя почвы. Подрезанные сорняки не зависают на стойке, так как этому препятствует наральник. Сорняки поднимаются по нижней криволинейной части, а затем сбрасываются со стойки верхней частью, выполненной как поверхность Мебиуса. Поскольку стойка не заглубляется в почву, культиватор с рабочими органами может работать на повышенной скорости 4-5 м/с. Это обеспечивает повышение производительности. Благодаря тому, что с почвой взаимодействует только почвообрабатывающая спираль и отсутствует отбрасывание почвы, существенно снижаются затраты энергии на выполнение технологического процесса.

About the authors

N. E Rudenko

Stavropol State Agrarian University

DSc in Agriculture Stavropol, Russia

S. D Kayvanov

Stavropol State Agrarian University

Email: kajwanov@yandex.ru
Engineer Stavropol, Russia

F. N Zavyalik

Stavropol State Agrarian University

Student Stavropol, Russia

References

Supplementary files