Использование вынужденных колебаний для снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин

Использование вынужденных колебаний для снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин

С.Н. Дроздов, соискатель,

И.З. Аширов, к.т.н., А.А. Сорокин, к.т.н.,

О.Я. Набокина, к.т.н., Оренбургский ГАУ

Переход отечественного сельхозтоваропроизводителя на более высокий производственный уровень подразумевает пересмотр проблемы снижения энерготрудозатрат, повышения качества выполняемых технологических операций, эффективности применения современной сельскохозяйственной техники.

Одним из наиболее перспективных направлений по снижению энерготрудозатрат является применение ресурсосберегающих технологий с использованием комбинированных машин и комплексов, увеличение производительности сельскохозяйственных агрегатов за счёт оптимизации конструктивно-режимных параметров используемых орудий.

В связи с тем, что на технологические операции по обработке почвы, как правило, приходится до 40% всех производственных затрат, совершенствование технологии почвообработки и орудий для её выполнения является задачей значимой и первостепенной [1].

В отечественной и зарубежной научной среде обозначились два основных направления решения проблемы энергоресурсосбережения при выполнении операций по обработке почвы: снижение тягового сопротивления и разработка широкозахватных комбинированных машин.

Наиболее значимым решением актуальной задачи считаем направление по снижению тягового сопротивления почвообрабатывающих машин, поскольку созданию комбинированных широкозахватных машин неизбежно сопутствует проблема увеличения тягового сопротивления орудия.

Степень значимости и природу факторов, определяющих величину тягового сопротивления почвообрабатывающей машины, достаточно просто описывает известная рациональная формула В.П. Горячкина [2]:

Р = /  G + к • а  Ь + £, • а  Ь  V2, Н,

где / — общий коэффициент трения;

О — вес машины, Н;

к — удельное сопротивление почвы, Н/см2; а — глубина обработки, м;

Ь — ширина захвата машины, м;

£ — коэффициент, учитывающий геометрические параметры и фрикционные свойства

рабочих органов почвообрабатывающей машины;

V — скорость движения агрегата, м/с.

Известно, что добиться снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин можно несколькими способами [2]:

— совершенствованием конструкции орудия и снижением его веса;

— совершенствованием геометрии рабочих органов;

— снижением сил трения почвы о поверхности рабочих органов (заменой поверхностей скольжения поверхностями качения; вводом в пограничный слой «почва — рабочая поверхность» газа или жидкости; колебаниями рабочих органов).

Подобные решения, несомненно, дают положительный эффект, но они не лишены ряда существенных недостатков.

Оптимизация геометрических параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин под конкретные условия работы, улучшение их антифрикционных свойств направлены на снижение коэффициентов / и £ рациональной формулы, что приводит к снижению качества крошения и разуплотнения почвы, усложнению конструкции машины и снижению её надёжности. Поэтому главенствующей задачей совершенствования почвообрабатывающих машин, в том числе комбинированных, является снижение их тягового сопротивления без значительного усложнения конструкции [1].

Использование вибрационной и импульсной техники в решении поставленной задачи позволяет по-новому взглянуть на процесс концентрирования энергии во времени и более рационального её расходования при выполнении технологических операций по обработке почвы.

Проблемой применения колебательных контуров на машинах сельскохозяйственного назначения занимались многие учёные и конструкторы [2—7]. Существующие в настоящее время колебательные контуры по своей сути отличаются видами возбудителей колебаний, которые в свою очередь классифицируются по ряду признаков (рис. 1).

Определяющими условиями применимости конструкции колебательного контура на почвообрабатывающей машине являются: небольшая масса, простота, дешевизна конструкции, а также вибратор, имеющий жёсткую характеристику колебаний, возможность регулирования продольных и вертикальных колебаний.

ВО З Б У Д И Т Е Л И К О Л Е Б А Н И Й

ПО СП0СОБУ В03ДЕЙСТВИЯ

( 1 *

СИММЕТРИЧНЫЕ НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ЧДАРНЫЕ

\

ПО ВИДУ ПРИВ0ДА

* 1 *

МЕХАНИЧЕСКИЕ ГИ ДР АВ ЛИ Ч ЕСК ИЕ И П Н ЕВ М АТ И Ч ЕСК И Е ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

НАПРАВЛЕННЫЕ

НЕНАПРАВ Л ЕННb I Е

Рис. 1 - Классификация возбудителей механических колебаний

Гидравлические и пневматические возбудители колебаний склонны к изменению характеристик при перемене параметров жидкости или газа (например, при изменении температуры окружающего воздуха), что обусловливает усложнения их конструкции. Электрические возбудители колебаний требуют достаточно мощного источника энергии для обеспечения длительной бесперебойной работы.

Предложенная классификация позволяет сделать вывод о том, что только механические инерционные возбудители имеют возможность создать направленные колебания, которые в достаточной степени регулируемы и практически независимы от условий внешней среды [3, 4].

Считаем, что существует возможность использовать величину и направление инерционной силы дебалансов механического возбудителя колебаний (вибратора направленного действия) как слагаемое силы тяги мобильного энергетического средства с целью снижения тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия.

Оснащение почвообрабатывающей машины маятниковым вибратором направленного дей-

ствия и ориентация его на раме в продольновертикальной плоскости под определённым углом а к горизонту позволит за счёт вертикальной составляющей колебаний Ру от суммарной возмущающей (инерционной) силы Ри уменьшить вес машины G, в то время как её горизонтальная составляющая Рх будет снижать величину Р тягового сопротивления почвообрабатывающей машины (рис. 2).

В рациональную формулу В.П. Горячкина можно внести поправку и записать её следующим образом:

где Px = 2 m • ю2 • г sin ю? sina,

Py = 2 m • ю2 • г sin ю? cosa, m — масса дебалансов, кг; ю — угловая скорость вращения дебалансов, рад/с;

r — расстояние центра масс дебалансов от точки вращения, м; t — время, с;

а — угол установки корпуса вибратора к горизонту, град.

Рис. 2 - Схема почвообрабатывающего орудия с маятниковым вибратором:

1 - рама; 2 - опорное колесо; 3 - рабочий орган; 4 - гидроцилиндр; 5 - маятниковый вибратор направленного действия; 6 - карданная передача

В соответствии с вышеизложенным для снижения энергозатрат на почвообработку без снижения качества обработки необходимо с учётом условий протекания технологического процесса задавать колебательному контуру оптимальные величины параметров.

В настоящее время зависимости влияния указанных параметров на качество и энергоёмкость процесса обработки почвы исследованы в недостаточной степени и требуют более детального рассмотрения.

Выводы. Исследования по использованию гармонических колебаний в теории широкозахватных почвообрабатывающих орудий являются достаточно актуальными, так как при выполнении основной обработки почвы позволяют снизить тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин на 10—25% в зависимости от почвенных условий.

Литература

1. Коган А. Б., Швейкин А. П. Исследование плуга с вибрирующими долотами // Состояние и перспективы развития почвообрабатывающих машин, фрез и культиваторов: матер. НТС ВИСХОМ. Вып. 25. М., 1968. С. 157-161.

2. Горячкин В.П. Собрание сочинений. Т.2. М.: Колос, 1968. 480 с.

3. Бурмин И.М. Исследование оптимальных режимов вибрации почвоуглубителей // Состояние и перспективы развития почвообрабатывающих машин, фрез и культиваторов: матер. НТС ВИСХОМ. Вып. 25. М., 1968. С. 310-316.

4. Дубровский А.А. Вибрационная техника в сельском хозяйстве / под общ. ред. А.А. Дубровского. М.: Машиностроение, 1968. 204 с.

5. Цветников В.И. Исследование влияния вынужденной вибрации плуга на расход мощности при вспашке: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1953. 22 с.

6. Ковриков И.Т., Попов И.В., Митин А.А. Определение тягового сопротивления асимметричного разуплотнителя // Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Т. 2. Оренбург: ОГАУ, 1998. С. 49-52.

7. Пархоменко Г.Г., Рыков В.Б. Комбинированные агрегаты для основной обработки почвы в засушливых условиях // Достижения науки и техники АПК. 2005. № 7. С. 38-39.