The transporting ability of the rotor of the soil-cultivating loosening and separating vehicle

Full Text

Введение Улучшение качества обработки почвы за счет увеличения энергоемкости орудия неизбежно приводит к снижению производительности агрегата и затягиванию сроков выполнения технологических операций, что также отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур и себестоимости их производства [1, 2, 3, 4]. Например, на черноземных почвах среднего и тяжелого механического состава качественное крошение поверхностного слоя почвы обеспечивается фрезерными рабочими органами. Однако из-за высокой энергоемкости в настоящее время фрезы широкого применения в условиях производства не получили. При обосновании геометрической формы рабочего органа нецелесообразна постановка вопроса о первичности качественных или энергетических показателей работы орудий. Эти два важнейших показателя совершенства орудий необходимо оценивать не как отдельные изолированные элементы системы технических средств, а как неотъемлемые элементы всего замкнутого цикла технологии выращивания сельскохозяйственных культур, т.е. в комплексной взаимосвязи [5, 6]. Принцип работы почвообрабатывающих рабочих органов для обработки пахотного и посевного слоев почвы основан на совмещении операций ее крошения и сепарации по глубине обрабатываемого слоя почвы. Наряду с получением за один проход агрегата требуемого качества обработки почвы в результате ее сепарации обеспечивается перемещение семян сорных растений на глубину, снижающую их всхожесть и выброс корневищ, в том числе и корнеотпрысковых сорных растений на поверхность поля [7]. Все это позволяет улучшить очистку поля от сорных растений механическим способом. Известна почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая машина для оптимизации физико-механических свойств обрабатываемого слоя почвы [8]. Машина работает следующим образом. Плоскорежущая лапа (лемех) подрезает пласт почвы и подает его на сепарирующую решетку. Ножи ротора захватывают почву, перемещают ее по сепарирующей решетке с одновременным ее крошением. Мелкие комочки почвы проходят через зазоры сепарирующей решетки, крупные ножами ротора перемещаются в верхние слои почвы. В результате сепарации обрабатываемого слоя почвы происходит дифференциация его по структурному составу. Применение на комбинированной машине активного рабочего органа (ротора) позволяет за один проход агрегата обеспечить высокое качество обработки почвы, а взаимодействие активно-пассивных рабочих органов - улучшить качество крошения пласта почвы с одновременным снижением энергетических затрат. Активные рабочие органы крошат пласт почвы, перемещают ее по сепарирующей решетке, перераспределяя по структуре, тем самым обеспечивают в зоне заделки семян мелкокомковатую структуру (рис. 1). Рис. 1. Принципиальная схема машины: 1 - наральник; 2 - лемех с загнутыми концами крыльев; 3 - стойка; 4 - рабочий орган ротора; 5 - сепарирующая решетка; 6 - рама Расположение ножей на валу ротора влияет на изменение приводного момента и равномерность хода машины [9]. В связи с этим ножи размещены на валу по винтовой линии с числом заходов, равным числу ножей на валу, причем начало первой винтовой линии должно совпадать в противоположной части вала с концом второй винтовой линии и т.д. Кроме того, ножи необходимо располагать равномерно по всей окружности вала с угловым расстоянием между смежными ножами αz = 360°/2s (где s - число ножей). Размещение ножей по спирали с постоянным угловым шагом симметрично относительно продольной оси машины дает возможность исключения крутящих моментов в поперечной плоскости, способных нарушить устойчивость хода машины в направлении движения и по глубине. На рис. 2 рассмотрен пример размещения 18 ножей, закрепленных по парам симметрично относительно продольной оси. Надежность, качество и энергоемкость работы почвообрабатывающей машины во многом определяются способностью ее рыхлительного устройства пропускать почву, поступающую с лемеха. Так как почва перемещается по сепарирующей решетке ножами ротора, пропускная способность устройства в целом зависит от транспортирующей способности ножей, то есть их секундной подачи. Очевидно, что с момента вхождения ножей ротора в почву и до момента сбрасывания ее с сепарирующей решетки транспортирующая их способность не является постоянной. Наихудшие условия для перемещения почвы по решетке создаются в момент входа ножей в почву, когда перед ними образуется почвенный валок, который затрудняет работу ротора, увеличивает затраты энергии на его привод и затрудняет сход почвы с лемеха на сепарирующую решетку. Цель работы Увеличение транспортирующей способности ротора рыхлительно-сепарирующего устройства почвообрабатывающей машины. Материалы и методы Процесс взаимодействия ножа ротора с почвой можно рассмотреть на основании использования реологических свойств почвы, теории которого посвящены работы А.С. Кушнарева, А.В. Баукова, А.Н. Панченко, В.Н. Кузьмина и др. [10-13]. Почва рассматривается как квазиоднородная трехфазная среда, позволяющая применять к ней законы деформации идеальных тел, с возможностью представления ее реологических свойств как комбинации свойств простых тел. Последнее позволяет рассматривать почву как соединенные между собой последовательно и параллельно идеально упругие, вязкие и пластические тела. Воздействие рабочих органов сельскохозяйственных машин и орудий на почву, время которого не превышает 0,5 с, приводит к упруго-вязко-пластическим деформациям. Для объяснения физического процесса взаимодействия с почвой ножа ротора рыхлительно-сепарирующего устройства был проведен эксперимент. На валу редуктора устанавливался нож с радиусом 0,25 м, и под ним располагался ящик, дном которого служила сепарирующая решетка с расстоянием между прутками 0,01 м. Почва перед закладкой в ящик просеивалась, увлажнялась и засыпалась слоями толщиной 0,02 м. Между засыпанными в ящик слоями почвы закладывались меловые прослойки, последняя из которых располагалась ниже глубины хода ножа. На поверхности почвы перпендикулярно плоскости вращения ножа ротора через 0, 015 м наносились меловые линии. После прохода ножа ротора в почве с помощью фотоаппаратуры и замеров определялись направление и величина смещения почвы, а также параметры образованной бороздки. На рис. 3 показана форма бороздки (вид сверху), образованной после прохода ножа. Из рисунка видно, что процесс воздействия ножа на почву можно разделить на три фазы. Процессы, происходящие в почве под воздействием ножа ротора, можно объяснить на основании результатов исследований А.С. Кушнарева и А.В. Баукова. В первой фазе, при заглублении ножа в почву, касательные напряжения не превосходят по своей величине внутреннего сопротивления почвы сдвигу и почва ведет себя как линейно-деформируемая среда. Как только напряжение достигает предельного равновесия, в почве появляются локальные пластические деформации, скорость нарастания которых начинает превышать скорость увеличения нагрузки. При этом перед ножом образуется нарост почвы. Во второй фазе работы ножа почва находится под воздействием нароста, величина которого увеличивается до тех пор, пока внутренние напряжения в нем не достигнут предельных значений и не произойдет его частичное разрушение. Оставшаяся часть нароста, или так называемое почвенное ядро, перемещается вместе с ножом, что приводит к образованию следующего нароста и т.д. Впереди ножа образуется относительно стабильное по размерам почвенное ядро, а периодически нарастающая на нем почва перемещается на некоторое расстояние по направлению движения ножа. Этот установившийся процесс происходит до тех пор, пока силы трения нароста почвы о сепарирующую решетку, сцепления с почвой и сопротивления движению его в почве (подпор) не смогут создать в нем напряжений, превышающих допустимые. С этого момента начинается третья фаза воздействия ножа на почву. Нарост начинает отделяться от основной части почвы и сбрасывается с сепарирующей решетки. После прохода ножа в почве остается бороздка с поперечным сечением в виде трапеции, нижнее основание которой равно ширине ножа. Такой процесс формирования и перемещения впереди ножа ротора почвенного ядра, образование после прохода в почве ножа бороздки трапециевидной формы согласуется с целым рядом исследований по изучению движения в почве различных вертикально установленных ножевидных рабочих органов [14-16]. По мере углубления ножа в почву увеличиваются глубина и ширина бороздки. Форма продольного сечения бороздки определяется траекторией движения наиболее удаленной точки ножа от оси вращения в почве. При этом нижние слои почвы под воздействием ножа ротора практически не перемещаются. Основным назначением ротора является перемещение почвы по сепарирующей решетке. Поэтому одним из наиболее важных показателей его работы служит количество почвы, прошедшее через зазоры сепарирующей решетки и сброшенное с нее за один проход ножа. Результаты и обсуждение Почва перед закладкой ее в ящик просеивалась на решете, и после прохода ножа почва, сброшенная с сепарирующей решетки и прошедшая через ее зазоры, взвешивалась. Кодовые обозначения и уровни варьирования факторов приведены в табл. 1, а матрица 1/8 дробной реплики от 26 и результаты экспериментов - в табл. 2. По результатам экспериментов получено следующее уравнение регрессии: Анализ значений коэффициентов регрессии показывает, что наибольшую силу влияния на транспортирующую способность ножа ротора оказывает толщина слоя почвы, подаваемого к рыхлительно-сепарирующему устройству, и угол излома ножа ротора. Проверка коэффициентов по критерию Стьюдента показала, что выделенные факторы значимы с 95 % вероятностью. Наименьшую силу влияния на параметр оптимизации оказывает ширина ножа ротора. Толщина слоя почвы, подаваемой к рыхлительно-сепарирующему устройству, незначительно зависит от глубины хода лемеха в пределах изменения глубины заделки семян (0,01-0,05 м) из-за сгруживания почвы на нем до создания необходимого подпора для ее относительного движения. Поэтому дальнейшие исследования по изучению влияния угла излома ножа ротора на параметры образованной в почве бороздки проводилось при неизменной толщине слоя почвы (0,12 м). Частота вращения ротора составляла 2,5 с-1 и влажность почвы - 22,6 %. Результаты эксперимента показаны на графике (рис. 4). При этом достоверность данных равнялась 99 %. Рис. 4. Зависимость наклона стенки борозды от угла вхождения ножа в почву В зависимости от угла вхождения ножа в почву - от 30 до 75°, угол наклона стенки бороздки изменяется незначительно - в пределах 13-15°. Значение последнего использовали для проведении теоретических исследований по изучению транспортирующей способности ножа ротора. Транспортирующая способность ножа ротора определяется размерами бороздки, оставленной им в почве, с формой поперечного сечения, близкой к форме трапеции. На основании результатов экспериментальных исследований по изучению процесса взаимодействия ножа ротора с почвой полагаем, что форма бороздки имеет форму фигуры, изображенной на рис. 5. Рис. 5. К определению объема фигуры Объем фигуры определяется по формуле: , (1) где - площадь сечения фигуры; QS = AB = = EF = a - толщина ножа ротора; - высота фигуры. Площадь сечения определяется по уравнению: , (2) где R - радиус ротора; α0 - начальный угол вхождения ножа в почву; αТ - текущий угол поворота ножа ротора; знак «+» или «-» выбирается в зависимости от угла излома ножа. Пределы интегрирования в формуле (2) равны: ; , где β - угол между касательной к режущей кромке и радиус-вектором ножа. Высота фигур AQFD и BSEC вычисляется по формуле: (3) где γ - угол между сторонами AQ и AD треугольника. После интегрирования выражения (2) с учетом (3) получим: (4) где Продифференцировав уравнение (4) по времени, получим математическую модель подачи почвы ножом ротора: (5) где ω - угловая скорость вращения ротора. Как видно из уравнения (5), подача почвы зависит от радиуса ротора R, угловой скорости его вращения ω, толщины ножа a, углов α0 и β и угла поворота αТ (αТ = ωt). Радиус и угловая скорость ротора определяют энергетические показатели работы, и поэтому повышать транспортирующую способность ножа за счет увеличения их нецелесообразно. Толщина ножа ограничена конструктивными особенностями сепарирующей решетки, которые определяются качественными показателями работы машины. Углы α0 и β в конечном итоге определяют угол вхождения ножа ∆ в почву (∆ = α0 + β). Следовательно, увеличение транспортирующей способности ротора в начальный момент входа ножа в почву может быть достигнуто, в основном, за счет снижения величины угла вхождения ножей ротора в почву. Зависимость подачи почвы ножом от угла ∆ показана на рис. 6. Расчеты проводились при радиусе ротора 0,2 м, угловой скорости ротора 15,7 с-1, толщине ножа 0,006 м и α0 = 35°. Рис. 6. Зависимость секундной подачи почвы от угла вхождения ножа в почву Как видно из рисунка, подача увеличивается с уменьшением угла вхождения ножа в почву. Так, уменьшение его с 60 до 45° позволяет увеличить подачу при вхождении ножа в почву в 2,52 раза, а с 45 до 30° - в 42,4 раза. Существенное влияние на секундную подачу угол вхождения ∆ оказывает на интервале 30-45°. При дальнейшем увеличении этого угла секундная подача практически не изменяется. Выводы Процесс взаимодействия с почвой ножа ротора рыхлительно-сепарирующего устройства можно разделить на три фазы: формирование почвенного ядра, установившееся движение и сбрасывание почвы с сепарирующей решетки. Наихудшие условия для движения почвы в технологическом процессе работы машины создаются в первой фазе работы ножа - в момент входа в почву, что является причиной образования перед ним почвенного валка. Он способствует повышению энергоемкости процесса работы машины, снижению надежности и качества работы машины в целом. Величину почвенного валка перед ротором можно снизить, в основном, за счет увеличения количества его воздействий на почву в единицу времени и уменьшения угла вхождения рабочей кромки ножа в почву. Рис. 2. Ротор почвообрабатывающей машины Рис. 3. Форма бороздки после прохода ножа ротора в почве в первой, второй и третьей фазах его работы (вид сверху) Таблица ١ Кодовые обозначения и уровни варьирования факторов № п/п Наименование факторов и их размерность Код Уровни факторов - + 1 Влажность почвы, % x1 19,2 24,4 2 Частота вращения ротора, с-1 x2 2,1 4,3 3 Радиус ротора, м x3 0,19 0,31 4 Толщина слоя почвы на решетке, м x4 0,05 0,10 5 Угол излома ножа, град x5 90 270 6 Ширина ножа, м x6 0,025 0,05 Таблица ٢ Матрица эксперимента и его результаты № опыта x1 x2 x3 x4 x5 x6 y, кг 1 + + - - - + 0,117 2 + - + - - - 0,118 3 + - - + + + 0,562 4 - + + + - + 0,484 5 - + - - + - 0,212 6 - - + - + + 0,209 7 + + + + + - 0,637 8 - - - + - - 0,111

About the authors

V. F Pashchenko

Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture

Email: gara176@meta.ua
DSc in Engineering

Y. U.N Syromyatnikov

Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture

Email: gara176@meta.ua

References

Supplementary files