Исследование влияния регулировочных параметров стандартных навесных устройств тракторов на заглубляющую способность дисковых рабочих органов лесных безопорных орудий

УДК 631.3.072.31

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТАНДАРТНЫХ НАВЕСНЫХ УСТРОЙСТВ ТРАКТОРОВ НА ЗАГЛУБЛЯЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ДИСКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЛЕСНЫХ БЕЗОПОРНЫХ ОРУДИЙ

INVESTIGATION OF THE EFFECT OF CONTROL PARAMETERS STANDARD DEVICES MOUNTED ON TRACTORS DEEPENED ABILITY DISK WORKING BODIES FOREST UNSUPPORTED TOOLS

Латышева М.А.

Результаты выполненного анализа состояния проблемы заглубляемости сферических дисковых рабочих органов навесных лесных почвообрабатывающих орудий. В результате анализа были рассмотрены регулировочные схемы с учетом влияния на работу мгновенного центра вращения (МЦВ) навесного устройства агрегатируемого трактора. На основании представленных схем присоединения орудия к разным маркам тракторов с помощью стандартного навесного устройства, были сделаны сравнительные оценки заглубляющей способности дисковых безопорных рабочих органов, лесных навесных орудий. Для четырех допустимых регулировочных схем выполнен приближенный расчет потребного веса груза Gг, который будет обеспечивать гарантированную работу лесных дисковых орудий на заданной глубине обработки.

The results of the analysis of the current status of zaglublennosti spherical disk working bodies of the suspended forest of tillers. As a result of the analysis were discussed adjusting the scheme with the effect on the instantaneous center of rotation (MCV) mounted implement mounted on the tractor. Based on the presented schemes accession instruments to different brands of tractors with standard attachment devices have been made for comparative evaluation raising abilities unsupported disk working bodies, forest mounted implements. For four allowable adjustment schemes an approximate calculation of the required weight of the load Gг that will provide guaranteed work forest disc guns at a given depth.

Ключевые слова: мгновенный центр вращения, механизм навески, дисковые почвообрабатывающие орудия

Keywords: instantaneous center of rotation, the mechanism linkage, disk tillage

Для работы на лесных объектах наиболее широкое применение нашли навесные почвообрабатывающие орудия со сферическими дисковыми рабочими органами - плуги, бороны, культиваторы, лущильники и др. Рабочие органы таких орудий закреплены на двуплечих подпружиненных рычагах, благодаря чему диски легко перекатываются через неперерезаемые препятствия или обходят их сбоку. В тоже время сферическим дискам лесных орудий присущ существенный недостаток - слабая заглубляющая способность. Для устранения этого недостатка дисковые орудия предусмотрительно оснащают балластом в виде металлических ящиков с грузом, регулируемого по весу в зависимости от со-

стояния и физико-механических свойств почвы на обрабатываемом участке. Однако такой способ регулирования глубины обработки, утяжеляет орудие, что приводит к дополнительным нагрузкам и снижению его надежности, а также к неоправданному перерасходу топлива агрегатируемым трактором [1].

Лесные дисковые почвообрабатывающие орудия являются преимущественно навесными и не оснащаются опорными элементами в виде традиционных колес, лыж, полозьев, пят и т. п. Применение таких элементов неизбежно привело бы к частым поломкам орудий в условиях нераскорчеванных вырубок, насыщенных большим количеством препятствий [2].

В настоящее время механизаторы для лучшей заглубляемости рабочих органов как лесных, так и сельскохозяйственных дисковых орудий, вынуждены догружать их наиболее доступным и простым способом - дополнительными грузами в виде массивных металлических деталей, бетонных блоков, бревен, ящиков с песком и т. п. Дополнительный груз устанавливают либо на общей раме орудия, либо индивидуально на каждой секции дисковых батарей.

С целью сравнительной оценки заглубляющей способности дисковых рабочих органов безопорных, лесных навесных орудий, навешиваемых на трактор с помощью стандартных навесных устройств типоразмеров НУ-2 и НУ-3, выполним приближенный расчет сил, действующих при работе таких орудий для четырех допустимых регулировками схем их навешивания на трактор, кинематические схемы и параметры которых представлены на рисунках 1 ... 3. Регулировки стандартного навесного устройства осуществляются путем изменения длины верхней тяги (в пределах 300 мм), нижних тяг (в пределах 80 мм) и перестановкой задних концов всех трех тяг в отверстиях несъемных кронштейнов, жестко соединенных с рамой орудия или в отверстия съемных пластин-проушин, соединяемых с кронштейнами с помощью болтовых соединений. Таким образом, тяги могут устанавливаться в положения: когда мгновенный центр вращения (МЦВ) четырехзвенника навесного устройства трактора может располагаться перед осью (точка О) подвеса орудия, в случаях над (схема 1 на рис. 1, а) и под поверхностью (схема 2 на рис. 1, б) обрабатываемой почвы, сзади оси подвеса над поверхностью почвы (схема 3 на рис. 2); когда верхняя и нижние тяги устройства могут устанавливаться параллельно друг другу (схема 4 на рис. 3).

Рисунок 1 - Влияние мест крепления к дисковому орудию задних концов верхней и нижних тяг традиционной конструкции навесного устройства трактора на направление действия вертикальной составляющей силы Рг рабочего сопротивления орудия при переднем относительно оси подвеса орудия расположении МЦВ звеньев навесного устройства: а - над и б - под поверхностью обрабатываемого поля

Основная цель расчета заключается в определении наиболее эффективной из представленных схем присоединения орудия к разным маркам тракторов с помощью стандартного навесного устройства. При этом за критерий эффективности примем минимальный потребный вес груза Ог, обеспечивающий навесным устройством трактора гарантированную работу дисков на заданной глубине обработки.

Рисунок 2 - Влияние заднего расположения МЦВ звеньев навесного устройства относительно оси подвеса орудия на величину и направление вертикальной составляющей силы Рг рабочего сопротивления рабочих органов

Рисунок 3 - Положение условной линии ОО1 тяги трактора и ее влияние на величину и направление вертикальной составляющей силы Рz рабочего сопротивления орудия при параллельной установке между собой верхней и нижних тяг навесного устройства

Для упрощения расчетов были введены общепринятые допущения, существенно не влияющие на точность конечного результата.

В качестве объектов исследования примем широко используемые в настоящее время при уходе за лесными культурами почвообрабатывающие агрегаты в составе безопорного, навесного, лесного дискового культиватора КЛБ-1,7 и тракторов: гусеничных - ЛХТ-55, ДТ-75М и колесного - Белорус 82.1.

Условие равновесия дискового культиватора в вертикальной плоскости для статического объекта определим согласно [3] из уравнения моментов относительно оси подвеса орудия (точка О на рис. 1, а). Особенностью первой схемы установки тяг навесного устройства трактора является направление действия вертикальной составляющей тягового усилия трактора Pz, совпадающей с направлением действия вертикальной составляющей тягового сопротивления орудия Rz.

Учитывая, что условие движения агрегата выполняется при равенстве противоположно направленных горизонтальных составляющих тягового усилия трактора Рх и сопротивления орудия Rx, запишем уравнение суммы моментов Еыо всех сил, действующих на орудие относительно оси его подвеса в виде

ЕМо = - Gн^l1 - Goph - Gг^lз + Rzh + Pz'lз = 0.

Из этого выражения величину груза Gг найдем следующим образом:

Gг = [- Gн•ll - Goph + ^ + Pz)lз] / 3

где Gг, Gн, Goр - соответственно силы веса груза, поворотных частей навесного устройства и орудия, Н; Rz и Р2; - вертикальные составляющие равнодействую-

щих тягового сопротивления орудия Ях2 и тягового усилия трактора Рх2, приложенные к оси О\ дисковой батареи, Н; ¡¡, ¡2 - плечи действия сил, соответственно Он и Оор, м; ¡з - плечо действия сил, соответственно Gг, Я2 и Р2, м; то - расстояние от оси подвеса О до опорной поверхности трактора, м; 8 - условный угол тяги дискового орудия при рабочем положении навесного устройства, град.

В выражении (2), с помощью силовых прямоугольных треугольников Ях2 Я2 Ях и Рх2 Р2 Рх с известными соотношениями их сторон и заданным значением угла 8, последовательно выразим Я2 и Р2 через Ях2 следующим образом. Составляющие Рх и Р2 равнодействующей Рх2 силы тяги трактора, в соответствии с расчетной схемой (рис. 1, а), можно определить из очевидных равенств Рх = Ях, и Р2 = Рх • tg8 или Р2 = Ях • tg8. Здесь Ях и Рх - горизонтальные составляющие равнодействующих Ях2 тягового сопротивления орудия и силы тяги трактора Рх2, приложенные к оси 01 дисковой батареи культиватора.

Согласно результатам исследования [4] для дисков диаметром 510 мм, угле атаки 150 и глубине обработки 6-10 см величину Я2 рекомендуется принимать равным Я2 = 1,5Ях, где Ях, согласно рекомендациям [5], можно определить как

Ях = К

где К - удельное тяговое сопротивление орудия, Н/м; В - ширина захвата орудия, м; е - величина защитной зоны с каждой стороны рядка культур, м; т -число рядков культур.

Здесь величина К зависит от физических и технологических свойств почвы, включая ее твердость. Согласно различным литературным источникам [5], для дисковых культиваторов, используемых при уходе за лесными культурами, величина К варьируется в пределах 2000-4000 Н/м при глубине обработки 6-10 см. Искомую величину Ог определяем для трех следующих случаев встречающихся при уходе дисковым культиватором за лесными культурами на вырубках: К равном минимальному, среднему и максимальному из возможных его значений, то есть, соответственно К1 = 2000, К2 = 3000 и К3 = 4000 Н/м. Эти значения удельных тяговых сопротивлений дисковых почвообрабатывающих орудий принимаются при работе последних соответственно на легких, средних и тяжелых почвах, встречающихся на лесных объектах.

После выражения Я2 и Р2 через Ях и подстановки полученных зависимостей в формулу (2), а затем выполнив простые преобразования, получим окончательно формулу для приближенного определения величины дополнительного груза Ог исследуемого культиватора

= [- ад - ОоР ¡2 + К

Аналогично определяется вес груза Ог для случая расположения МЦВ

звеньев навесного устройства ниже поверхности почвы (схема 2 на рис. 1, б). Отличие заключается лишь в том, что сила Р2, в отличие от предыдущего случая, направлена не вверх, а вниз, что способствует заглублению дисковой батареи в почву.

Представляет практический интерес третья возможная схема навесного устройства трактора (рис. 2), отличительной особенностью которой является заднее, относительно оси подвеса орудия, положение МЦВ звеньев устройства. В этом случае высокое расположение МЦВ относительно поверхности почвы приводит не только к изменению направления вниз силы Р2, но и к заметному повышению ее величины, а, следовательно, и к повышению заглубляющей способности дисковых рабочих органов.

В навесном устройстве с параллельным расположением тяг навесного устройства (схема 4 на рис. 3) МЦВ его звеньев будет отсутствовать, а условная линия тяги в данном случае будет являться отрезком ОО1, соединяющем оси подвеса орудия и дисковой батареи. Вследствие значительного по величине условного угла тяги 3 в данной схеме сила Р2 также имеет большую величину и направлена вверх, как и сила реакции почвы Rz. Вместе эти силы усиливают нежелательный выглубляющий эффект дисковых рабочих органов.

Исходными данными для расчета приняты следующие конструктивные параметры культиватора КЛБ-1,7: вес Goр = тор • g = 5250 Н, где тор = 536 кг -

л

масса орудия, g = 9,8 - ускорение свободного падения, м/с2; В = 1,7 м - ширина захвата орудия; е = 0,5 м - величина защитной зоны; т = 1 - число рядков культур, обрабатываемых культиваторов за один проход.

Принятые исходные данные для расчета основных параметров стандартных навесных устройств и широко применяемых в настоящее время в лесном хозяйстве тракторов представлены в таблице 1, а результаты выполненных расчетов в соответствии с выражением (4) - в таблице 2. Здесь отрицательные значения углов в таблице 2 означают величины углов, измеряемых в направлении против часовой стрелки относительно горизонтальной прямой, параллельной поверхности почвы. Полученные отрицательные значения веса (массы) орудия означают ее избыточность для обеспечения заданной глубины обработки почвы рабочими органами.

Таблица 1 - Исходные параметры навесных устройств тракторов

Марка трактора Длины плеч действия сил согласно расчетным схемам, м Высота оси подвеса орудия та, мм В е с (масса) навесного устройства Gн, Н(кг) Условные углы тяги 3, град.

схема 1 схема 2 схема 3 схема 4

¡1 ¡2 ¡3

ЛХТ-55 0,48 1,35 1,61 620 2400(245) 10 3 -32 16

ДТ-75М 0,42 1,23 1,49 413 1800(184) -1 -10 -49 9

Белорус 82.1 0,44 1,27 1,53 485 1200(122) 3 -4 -42 12

Таблица 2 - Результаты расчета веса груза Ог в зависимости от марки трактора, удельного тягового сопротивления орудия К и схемы установки тяг навесного устройства на тракторе

Марка трактора Удельное тяговое сопротивление орудия К, Н/м Вес

схема 1 схема 2 схема 3 схема 4

ЛХТ-55 2000 3000 4000 -1132

ДТ-75М 2000 3000 4000 -1285

Белорус 82.1 2000 3000 4000 -978

С целью подтверждения и уточнения результатов выполненных расчетов, автором в течении 2012-2014 годов на лесных вырубках Учебно-опытного лесхоза Воронежской государственной лесотехнической академии была проведена опытно-производственная проверка сравнительной эффективности всех четырех схем компонования стандартных навесных устройств тракторов ЛХТ-55, МТЗ-85М и Беларус 82.1 в агрегате с серийным культиватором КЛБ-1,7 [12]. Полученные данные этой проверки в целом подтвердили результаты выполненного теоретического исследования, а их анализ позволил сделать следующие основные выводы:

1 Серийный, навесной, безопорный, дисковый культиватор КЛБ-1,7 без использования груза может полноценно использоваться на вырубках с почвами легкой группы по механическому составу, с умеренными задернелостью и насыщенностью сорной растительностью в агрегате со всеми тремя марками тракторов, оснащенных серийными навесными устройствами, скомпонованными по первой, второй и четвертой возможным схемам.

2 Ни одна из возможных рассмотренных схем компонования серийных навесных устройств тракторов не обеспечивает необходимое качество обработки почвы безопорным дисковым культиваторам на лесных объектах с почвами средней и тяжелой групп без использования груза. При этом расчетная величина грузов, в зависимости от схемы компонования, составляет значительную величину и составляет, в зависимости от схемы компонования, в среднем 30-70 % от массы культиватора.

3 Из рассмотренных четырех возможных схем компонования серийных навесных устройств, широко используемых в лесном хозяйстве тракторов, наиболее эффективными являются первые две. При этом вторая из них предпочтительнее вследствие лучшего заглубляющего эффекта дисковых рабочих органов, объясняемого более низким положением МЦВ звеньев навесного устройст-

ва в продольно-вертикальной плоскости. В тоже время конструктивные параметры серийных навесных устройств, рассчитанные в основном для сельскохозяйственные лемешных плугов с опорными колесами, конструктивно не позволяют с помощью возможных регулировок существенно понизить МЦВ, вследствие чего неоправданно ухудшается заглубляющая способность безопорных лесных дисковых орудий.

4 Третья исследуемая схема компонования звеньев серийных навесных устройств с задним, относительно оси подвеса орудия, расположением их МЦВ является перспективной, так как дает наибольший заглубляющий эффект диско -вых рабочих органов без использования груза на всех типах лесных почв. Однако для ее широкого применения необходимо выполнить соответствующие доработки конструкций навесных устройств на основе углубленных теоретических и экспериментальных исследований.

5 Опытно-производственной проверкой было выявлено существенное влияние на качественные показатели работы культиватора неучтенной в расчетах повышенной инерционности при функционировании серийных навесных устройств. Она вызвана высоким суммарным моментом трения в многочисленных шарнирных и подвижных соединениях звеньев навесных устройств, особенно проявляющихся в весенний и осенний периоды эксплуатации агрегатов. Пониженные утренние температуры существенно снижают подвижность поршня в гидроцилиндре и в шарнирных соединениях навесных устройств и особенно в их рабочем «плавающем» положении. Этот тормозящий эффект, несмотря на значительную массивность подвижных частей навесных устройств (122-245 кг), особенно негативно отражается на точности копирования неровностей обрабатываемой поверхности и соответственно стабильности хода на заданной глубине обработки дисковых батарей культиватора.

6 Результаты полевых экспериментов выявили также неспособность стандартных навесных устройств обеспечивать перекосы рамы орудия в поперечно-вертикальной плоскости. По этой причине на лесных объектах, изобилующих большим количеством препятствий, при выглублении одной из двух дисковых батарей соответственно выглубляется и вторая батарея, в результате чего образуются многочисленные огрехи в обрабатываемой борозде.

7 Целесообразным путем повышения эффективности безопорных, навесных, лесных дисковых орудий является разработка к стандартным навесным устройствам серийных тракторов съемных приспособлений, МЦВ которых обеспечивает высокий заглубляющий эффект для дисковых рабочих органов, допускающих перекосы рамы орудия в необходимых пределах, а также обладающих минимальной инерционностью при работе агрегатов в условиях значительных неровностей, характерных для лесных объектов.

Список использованных источников

1 Посметьев, В. И. Основные направления повышения эффективности лесных почвообрабатывающих агрегатов [Текст] / В. И. Посметьев, В. А. Зеликов, А. И. Третьяков, В. В. Посметьев // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2013. - № 1 (36). - С. 70-79.

2 Zlelikov, V. A. Substantiation Based on Simulation Modeling of Hitch for Tillage Tools Parameters / V. A. Zlelikov, V. I. Posmetiev, M. A. Latysheva // World Applied Sciences Journal. -2014. - № 30(4) : pp : 486-492.

3 Зеликов, В. А. Методика моделирования механизмов навески лесных почвообрабатывающих орудий [Текст] / В. А. Зеликов, В. И. Посметьев, М. А. Латышева, В. В. Посметьев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 84 (10). - С. 337-347.

4 Зима, И. М. Механизация лесохозяйственных работ [Текст] : учеб. пособие / И. М. Зима, Т. Т. Малюгин - М. : Лесная пром-ность, 1976. - 416 с.

5 Кленин, Н. И. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины : Элементы теории рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимов работы [Текст] : учеб. пособие / Н. И. Кленин, В. А. Сакун В. А. - М. : Колос, 1980. - 671 с.

6 Посметьев, В. И. Оценка влияния мгновенного центра вращения навесного механизма трактора на заглубляющую способность дисковых рабочих органов [Электронный ресурс] / В. И. Посметьев, В. А. Зеликов, М. А. Латышева // Воронежский научно-технический вестник. - 2014. - № 2 (8). - С. 38-47. - Режим доступа : http://vestnikvglta.ucoz.ru/arhiv_nomerov