Анализ методов и средств адаптации почвообрабатывающих фрез к изменяющимся условиям почвы

DOI 10.24412/cl-34984-2021 -6 -63-65 УДК 631.317

Безруков А.В., к.т.н., доцент, Наумкин Н.И., д.п.н, профессор.

Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АДАПТАЦИИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ФРЕЗ К ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ УСЛОВИЯМ ПОЧВЫ

Аннотация. Выполнен анализ существующих способов адаптации почвообрабатывающих фрез к изменяющимся почвенным условиям на основе автоматизации регулирования режимов их работы, использования механизмов переменной структуры управления углами резания и др. Предложен способ адаптации такой фрезы на основе автоматического выбора режимов работы за счет использования блока управления частотой вращения электродвигателей.

Ключевые слова: адаптация, обработка почвы, режимы работы, автоматизация, почвообрабатывающие фрезы.

Abstract. The analysis of existing methods of adaptation of tillage milling cutters to changing soil conditions is carried out on the basis of automation of regulation of their operation modes, the use of mechanisms of variable structure of control of cutting angles, etc. A method for adapting such a milling cutter based on the automatic selection of operating modes through the use of a motor speed control unit is proposed.

Key words: adaptation, tillage, operating modes, automation, tillage cutters.

Достижение требуемого качества обработки почвы является залогом достойного урожая продовольственных культур. Оно определяется такими показателями, как:1) почвенные условия (структура, влажность, плотность, содержание гумуса, влажность, засоренность и др.); 2) техническое состоя ние поч вообра баты ва-ющих машин (форма рабочих органов, правильность регулировки и др.); 3) режимы работы машины (скорость движения орудий и машин, глубина обработки и др.); 4) сроки выполнения работ и др. Наиболее полно таким требованиям удовлетворяют самоходные малогабаритные почвообрабатывающие фрезы (СМПФ), которые обеспечивают требуемое качество обработки почвы.

Не смотря кажущиеся преимущества использования СМПФ, большинство выпускаемых сегодня из них обладают рядом недостатков, в частности: 1) высокие динамические нагрузки в фрезе; 2) нестабильность протекания процесса обработки почвы; 3) повышение утомляемости оператора; 4) неравномерность загрузки двигателя; 5) перегрузка элементов привода и др.; 6) ограниченные возможности, или вовсе отсутствие изменения режимов работы, адекватных состоянию почвы; 7) невозможность автоматической подстройки под внешние изменяемые почвенные условия и др.

В связи с этим возникает проблема разработки таких фрез, в которых бы была реализована возможность адаптации режимов их работы и рабочих органов к изменяющимся условиям внешней среды.

Для разрешения сформулированной проблемы необходимо решить следующие задачи: 1) выполнить анализ имеющихся исследований по сформулированной проблеме; 2) выявить наиболее перспективные и хорошо реализуемые способы и устройства адаптации фрез; 3) синтезировать новый способ адаптации на основе отслеживания изменяющих условий; 4) разработать устройство реализации этого способа адаптации СМПФ.

Как показал анализ существу ю-щих исследований, большинство авторов [1-4] предлагают осуществлять адаптацию за счет: 1) постоянства углом резания в течение всего цикла резания почвы для одного или всех кинематических режимов - Попов Г.Ф. и Князьков А.С.; 2) обеспечения всего диапазона режимов регулирования с вмешательством оператора -Купряшкин В.Ф.; 3) внедрения блока управления, автоматически изменяющего режим работы машины - Безруков А.В. и Наумкин Н.И. и др.

С учетом вышесказанное авторами был предложен способ адаптации СМПФ на основе обе-

спечения возможности автоматического регулирования режимов работы фрезы (изменение поступательной скорости) за счет применения блока управления частотой вращения (БУЧВ) ее электродвигателей, в зависимости от изменения свойств обрабатываемой среды [1-3]. Для его реализации был сконструирован опытный образец СМПФ с адаптацией режимов ее работы к изменяющимся почвенным условиям, для чего в конструкцию добавили дополнительный двигатель привода ходовых колес, который управляется через БУЧВ. БУЧВ, при помощи сканера твердости почвы, отслеживает изменение структуры почвы и подстраивает режимы работы машины к внешним условиям.

Методология представленного исследования построена на интеграции основных положений теории механизмов и машин в области исследования механических систем и положений теории проектирования в машиностроении. Основное внимание было уделено общенаучному принципу адаптации и его использованию при создании СМПФ. Под адаптацией различные авторы [4, 5] понимают обеспечение возможности работы машины в постоянно изменяющихся условиях внешней среды. Мы в дальнейших исследованиях под адаптацией будем понимать способность автоматического обеспечения требуемого

АГРОТЕХНИКА

режима работы машины применительно к почвенным условиям [6]. Мы также использовали методы морфологического анализа и классификации в купе с методами анализа-синтеза и дедукции-индукции для синтеза нового технического решения.

Анализ существующих исследований по сформулированной проблеме позволил структурировать их на несколько групп, описанных выше, наиболее близкие из них к решению нашей проблемы представлены в табл. 1, где указаны

их разработчики, назначение, принцип действия, достоинства и недостатки. Из таблицы видим, что все они в той или иной мере решают частные вопросы адаптации фрез к внешним условиям, но не решают ее системно - концептуально, еще на стадии проектирования. Естественно возникает необходимость разработки научной концепции рационального проектирования универсальных СМПФ, обладающих такой возможностью, а именно адаптацией к внешним условиям, как по режи-

мам работы фрез, так и конструктивным изменяемым параметрам. Поэтому для обеспечения постоянства кинематического параметра (Л = уо/уп, где уо - окружная скорость активных рабочих органов, м/с; уп - поступательная скорость фрезы, м/с) и адаптации режимов работы фрезы к почвенным условиям нами предлагается СМПФ (рис. 1) с двумя блоками 1 и 9 управления двигателями привода и ходовых колес 3.

Устройство работает следующим образом. СМПФ подводят к

Таблица 1.

Анализ существующих способов адаптации режимов почвообрабатывающих фрез.

№

Схема-рисунок

Принцип действия

Достоинства

Недостатки

Электрофреза ФС-0,85

Состоит из шасси, электропривода ходовой части и рабочих органов.

Простота конструкции

Нестабильность

протекания технологического процесса обработки почвы.

Фреза Попова Г.Ф.

Предложенный рабочий орган

фрезерного культиватора предназначен для улучшения при отрезании почвенной стружки с постоянным углом резания в течение всего цикла.

Постоянный угол резания обеспечил снижение мощности примерно на 30% по сравнению

с обычной конструкцией фрезы.

Механизм обеспечивает постоянство угла резания только на одном рассчитанном кинематическом режиме.

Фреза Князькова А.С.

При изменении поступательной скорости фрезы необходимо эксцентрик 2 предварительно установить на определенный угол.

Сохраняет постоянный угол резания ножа не зависимо от поступательной скорости фрезы.

Сложность конструкции.

Фреза Купряшкина В.Ф.

Включает клиноременный вариатор, который позволяет бесступенчато менять подачу на нож фрезерных органов.

Достигается полный выбор

режимов регулирования, позволяющий за один проход обработать участок.

Необходимость остановки машины для смены режима регулирования.

Фреза Безрукова А.В.

Сканер 4 отслеживает изменение твердости почвы и подает сигнал блок управления 1 электродвигатель 3 привода ходовых колес 5. В зависимости от изменения твердости почвы электродвигатель 3 изменяет скорость машины, а соответственно подачу на нож фрезерного барабана.

Достигается полный выбор

режимов регулирования без вмешательства оператора.

Нарушение значение кинематического

параметра, что приводит к ухудшению качества обработки почвы.

1 - блок управления частоты вращения фрезерного барабана;

2 - электродвигатель привода рабочих органов;

3 - электродвигатель привода ходовых колес;

4 - сканер твердости почвы;

5 - ходовые колеса;

6 -фрезбарабаны;

7 - органы управления;

8 - редуктор;

9 - блок управления частоты вращения ходовых колес. Рисунок 1. Схема фрезы с блоками управления.

краю обрабатываемого участка. Электропитание электродвигателей 2 и 3 осуществляется через блоки 1 и 9 управления частотами вращения их валов. Вначале включают электродвигатель 2 привода активных рабочих органов 6, затем электродвигатель

3 привода ходовых колес 5. Одновременно с началом движения почвообрабатывающей фрезы происходит заглубление ножа 4 сопротивления резания почвы и активных рабочих органов 6. По мере движения устройства нож

4 отслеживает изменение сопротивления почвы. При движении на уплотненных участках нож 4 отслеживает изменение сопротивления резания почвы и подает сигнал на блоки управления 1 и 9, которые изменяют частоты вращения валов электродвигателей 2 и 3. Т.е. при движении по уплотненному участку почвы поступательная скорость машины уменьшается и увеличивается частота вращения активных рабочих органов, по участку с меньшей твердостью наоборот, исходя из этого почвообрабатывающая фреза адаптирует режим работы под внешние условия, тем самым позволяет обеспечивать постоянство кинематического параметра Л и повышение качества обработки почвы.

По сравнению с известными решениями предлагаемая конструкция почвообрабатывающей фрезы позволит повысить качество обработки почвы за счет обеспечения постоянного значения кинематического показателя Л работы почвообрабатывающей и обеспечить агротехнические требования, предъявляемые к обработке почвы, повысить эффективность ее функционирования.

Выполненные исследования позволили, во-первых, синхрон-

но изменять частоты вращения двигателей фрезы и ходовых колес, что обеспечиваетсохранение важного для требуемого качества обработки почвы постоянного кинематического параметра, и во-вторых, заложить основы в формулируемой концепции рационального проектирования универсальных СМПФ.

Выполненный анализ имеющихся исследований выявил наиболее перспективные и хорошо реализуемые способы и устройства адаптации фрез. Это позволило синтезировать новый способ адаптации на основе отслеживания изменяющих условий и разработать устройство реализации этого способа адаптации СМПФ. Таким образом, все рассмотренные почвообрабатывающие фрезы находят свое применение в определенных условиях, но для наиболее эффективной (высокая производительность при минимальных энергозатратах) обработки почвы, рекомендуется использовать предложенную схему СМПФ. Такая фреза позволяет, за счет наличия в ней блоков управления частотой вращения двигателей, автоматически охватить весь требуемый диапазон режимов работы, отвечающих изменяющейся плотности почвы на обрабатываемых участках, тем самым сохранить постоянство кинематического параметра и обеспечить требуемое качество обработки почвы при оптимальном сочетании, что подтверждено проведенными экспериментальными исследованиями [6, 7].

Литература

1. Князьков А. С., Купряшкин В. В. Лабораторный стенд для исследования почвообрабатывающих активных рабочих органов с регулируемым углом резания ножей. Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции. 2017. С. 445-449.

2. Купряшкин В. Ф. Повышение эффективности функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы оптимизацией конструктивно-технологических параметров (на примере фрезы ФС-0,85). Авт. дисс. Саранск. 2011. С. 19.

3. Купряшкин В. Ф., Князьков А. С., Купряшкина В. Н., Шляпников М. Г., Купряшкин В. В., Тере-хин Е. Ю. Обоснование параметров динамического стабилизатора устойчивости движения подвижного модуля экспериментального стенда при исследовании активных ротационных рабочих органов почвообрабатывающих машин. Вестник Мордовского университета. 2017. Т. 27. № 1. С. 52-66.

4. Безруков А. В., Наумкин Н. И., Купряшкин В. Ф., Князьков А. С., Панков А. И. Анализ влияния изменения кинематического параметра малогабаритной почвообрабатывающей фрезы на качество обработки почвы. Современное машиностроение: Наука и образование: материалы 6-й международной научно-практической конференции/Под ред. А. Н. Евграфова и А. А. Поповича. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2017. С. 704-710.

5. Чаткин М. Н. Повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин с ротационными активными рабочими органами: автореф. дис. док. техн. наук. Саранск. 2008. 40 с.

6. Безруков А. В., Наумкин Н. И., Купряшкин В. Ф. Адаптивная почвообрабатывающая фреза. Сельский механизатор. -2018. № 1. С. 4-5.

7. Безруков А. В., Наумкин Н. И., Купряшкин В. Ф. Автоматизация режимов работы самоходной фрезы. Сельский механизатор. 2019. № 2. С. 6-7.