О полезной реализации энергии лесных почвообрабатывающих агрегатов при помощи вибрационных механизмов рабочих органов

О ПОЛЕЗНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ЛЕСНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ПРИ ПОМОЩИ ВИБРАЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

Третьяков А.И.

В статье представлен возможный способ реализации неиспользуемой энергии лесных почвообрабатывающих агрегатов путем наведения вибрации на рабочие органов дисковых орудий, а также одновременного обеспечения защиты дисков культиватора от перегрузок.

The paper presents a possible way to implement the unused energy forest soil-cultivating units by building vibration on blue-collar workers of the disk tools, and while protecting the disc cultivator overload.

Ключевые слова: лесной дисковый культиватор; вибрационный механизм; предохранительный механизм.

Keywords: forest disc harrow, vibrating mechanism, a safety mechanism.

Эксплуатируемые в настоящее время пассивные рабочие органы лесных почвообрабатывающих агрегатов (ЛПА) испытывают повышенные удельные сопротивления почвы, имеют высокую энергоемкость и недостаточную эффективность при функционировании на лесных объектах. Также, по результатам многочисленных исследований, известно, что одним из основных факторов, влияющих на увеличение энергозатрат традиционных ЛПА, является необходимость использования агрегатируемых тракторов завышенного тягового класса для гарантированного преодоления пиковых нагрузок при столкновении рабочих органов с препятствиями. В результате чего, двигатель трактора, до встречи с препятствием, в зависимости от условий работы, оказывается недогруженным на 25-50 %. Помимо этого большое количество «паразитной» энергии ЛПА расходуется на вынужденные колебания трактора при работе в условиях многочисленных неровностей опорной поверхности нераскорчеван-ных вырубок. Таким образом, очевидно, что из-за тяжелых условий работы ЛПА, большое количество энергии не удается полезно реализовывать [1].

Одним из возможных способов повышения эффективности ЛПА и качества культивации почвы на вырубках является использование наведенной вибрации на рабочие органы почвообрабатывающих орудий. Преимущество вибрационной и импульсной техники состоит в том, что концентрируя энергию во времени, она дает возможность расходовать ее более рационально и эффективно [1].

Рабочие органы лесных дисковых культиваторов, широко применяемых в лесном хозяйстве, обладая благоприятной геометрической формой для преодоления препятствий, перекатываясь через них, одновременно имеют низкую заглубляющую способность, также подвержены перегрузкам и неустойчивы по глубине хода. Используемые в эксплуатации дополнительные утяжелители для лесных дисковых орудий являются недостаточно эффективными, так как удельное сопротивление почвы значительно меняется, даже в пределах одного участка вырубки. Это затрудняет возможность регулирования глубины обработки, чем существенно снижается качество прово-

димых уходов [2].

Оригинальным техническим решением, в котором впервые применена принудительная вибрация дисковых рабочих органов, является полученный ВГЛТА патент РФ № 2407260 «Почвообрабатывающее орудие» (рис. 1). Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам этот патент награжден дипломом в номинации «100 лучших изобретений России».

Работа почвообрабатывающего орудия заключается в следующем. При движении рабочих органов 2 в почве на заданной глубине обработки почвы они вместе грядилями 1 совершают вынужденные колебания в упругой системе «рабочий орган 2 - пружина 3 - почва» под воздействием пульсаций рабочей жидкости в гидроцилиндре 4, передаваемой по трубопроводу 7 от гидропульсатора 5. Регулирование амплитуды колебаний рабочего органа осуществляется из кабины трактора с помощью вентиля 6. Необходимую частоту колебаний рабочих органов устанавливают путем подбора частоты вращения ВОМ трактора. В случае необходимости гидропульсатор можно отключить либо при помощи перекрытия вентиля 6, либо отключением ВОМ трактора.

Экспериментальные исследования этой конструкции на реальных лесных объектах показали ее эффективность, достигаемую за счет совмещения в одном устройстве двух механизмов - вибрационного и предохранительного. В тоже время она имеет относительно низкие надежность и КПД вибрационного механизма, вследствие использования в нем механической передачи для привода от

6 7

Рисунок 1 - Схема лесного дискового культиватора по пат. РФ № 2407260

вала отбора мощности агрегатируемого трактора. Другой недостаток этой конструкции заключается в отсутствии возможности ею отключения вибратора при наезде и преодолении рабочими органами препятствий. Это ведет к неоправданному росту нагрузок на дисковые батареи и увеличению вероятности их поломки.

Таким образом, важным качеством почвообрабатывающего орудия в ус-

ловиях нераскорчеванных вырубок, является сочетание в нем работы вибрационного механизма, и одновременно обеспечение защиты рабочих органов от перегрузок. Этот качественный показатель выполняется для сельскохозяйственных орудий. Так, в устройстве по а. с. РФ № 822774 (рис. 2), при движении орудия с включенным валом отбора мощности трактора, вибратор 8 совершает совместно с платформой 7 вертикальные колебания. Во время подъема вибратора 8 с платформой 7 (по стрелке а) ослабляются верхние упругие элементы 5, а нижние 6 натягиваются, несколько сближая лемехи 4. При движении вниз (по стрелке б) верхние упругие элементы 5 натягиваются, а нижние элементы 6 ослабляются, и лемехи 4 совершают колебательные движения относительно шарниров 1. В случае наезда рабочего органа на препятствие один из рыхлительных зубьев 2 и 3 поворачивается в шарнире 1, натягивая верхний упругий элемент 5 и ослабляя нижний 6, подтягивая платформу 7, обходит препятствие сверху и возвращается в исходное положение. Аналогичное решение предложено в а. с. РФ № 155680. В этих устройствах совмещение функций вибратора и предохранителя рабочих органов заключается в том, что почвообрабатывающее орудие и вибратор в обоих случаях связаны упругим элементом, что дает возможность при значительном повышении рабочего усилия в момент встречи с препятствием отклонить рабочий орган.

Однако, данные предохранители с вибрационными механизмами для лесных почвообрабатывающих орудий непригодны по следующим причинам: их конструктивные параметры не обеспечивают отход рабочего органа на необходимую высоту (0,5 ... 0,6 м); наличие в их конструкциях опорных колес, которые невозможно защитить в условиях нераскорчеванных вырубок [3]. Кроме того препятствия на сельскохозяйственных объектах не представляют такой опасности, как препятствия на лесных объектах. Препятствия на вырубках, как правило, не смещаемы, а нагрузки на орудия превышают их средние рабочие сопротивления: в момент встречи с препятствием - в 5 ... 10 раз, при подъеме рабочих органов по препятствию - в 3 ... 4 раза [2]. Причем, наличие в конструкции орудий вибратора, при наезде на препятствие значения действующих нагрузок на рабочих органах, очевидно, значительно будет увеличивать.

Согласно известной классификации ПМ лесных орудий наиболее эффективными из них для рабочих органов являются автоматические ПМ с индивидуально-групповым способом защиты вертикального действия и с одной степенью свободы перемещения [2]. Помимо этого очевидно, что для

Рисунок 2 - Схема почвообрабатывающего орудия по а. с. РФ № 822774

5

лесных почвообрабатывающих агрегатов автономного ПМ с вибрационными рабочими органами требуется встраивание в его конструкцию устройства для отключения вибратора в процессе столкновения и перекатывания рабочих органов через препятствие.

С целью совершенствования представленных ранее исследователями конструкций было предложено техническое решение по пат. РФ № 2444877 (рис.

Гидропривод культиватора включает в себя гидравлические вибрационный и предохранительный механизмы. Гидравлический вибрационный механизм состоит из клапана давления 9, гидроцилиндров 7 орудия, соединительного трубопровода 35, напорной 36 и сливной 37 магистралей. Гидравлический предохранительный механизм, кроме перечисленных элементов вибрационного механизма, включает в себя клапан давления 8, клапан 10 ограничителя расхода рабочей жидкости и соединительные трубопроводы 32, 33 и 34. При этом пружина 14 клапана давления 8 отрегулирована на более высокое (10 ... 20 %) давление срабатывания, чем пружина 15 клапана давления 9, аналогичного по конструкции клапану 8. Величина давления рабочей жидкости при срабатывании обоих клапанов давления легко регулируется с помощью соответствующих винтов 24 и 25. Кроме этого, в отличие от клапана давления 8, к свободному торцу золотника 12 клапана давления 9 со-осно установлен с примыканием плунжер 13, имеющий меньший диаметр, чем диаметр самого золотника 12. Давление рн рабочей жидкости в напорной магистрали 36 поддерживается гидросистемой агрегатируемого трактора (на

Рисунок 3 - Принципиальная схема лесного дискового культиватора с гидравлическими вибрационным и предохранительным механизмами рабочих органов

рис. не показано).

Работа вибрационного механизма дисковых рабочих органов культивато-

3).

30 в 16 9 25 36

ра заключается в следующем. При движении культиватора на вырубке со скоростью vа его дисковые батареи 5 надежно удерживаются в почве на заданной глубине обработки ад благодаря установленному давлению рн в гидроцилиндрах 7, передаваемого из напорной магистрали 36 от гидросистемы агрегатиру-мого трактора. Импульсные изменения величины давления рабочей жидкости (частотой 5 ... 7 Гц) в гидроцилиндрах 7 обеспечиваются работой золотника 12 клапана давления 9, который постоянно сбрасывает давление рабочей жидкости в сливную магистраль 37. Пульсация давлений в напорной магистрали приводит к колебаниям поршня со штоком гидроцилиндра 7, и соответственно к возбуждению вибрации на дисках культиватора 5.

Гидравлический предохранительный механизм рабочих органов культиватора работает следующим образом. В случае встречи рабочих органов культиватора с препятствием дисковая батарея 5 отклоняется назад и вверх, а поршень гидроцилиндра 7 вдвигается в цилиндр на величину 1п. Вытесненная при этом рабочая жидкость поступает в напорную гидромагистраль 36. Повышенное давление в напорной магистрали приводит к срабатыванию клапана 8, и перетеканию через него жидкости в соединительный трубопровод 34, к проточке 20 в корпусе клапана давления 9 и к клапану ограничителя расхода 10. Однако, так как по сравнению с диаметром золотника 12, диаметр плунжера 13 имеет существенно меньшую величину, то, несмотря на повышенное давление рабочей жидкости в подводящем трубопроводе 35, плунжер остается в исходном положении. Этим обеспечивается временная остановка в работе вибрационного механизма. Сброс рабочей жидкости через клапан ограничителя расхода 10 также невозможен, так как при повышенном давлении ограничитель расхода автоматически запирается.

После преодоления препятствия дисковая батарея 5 культиватора возвращается в исходное положение, увлекая за собой шток и поршень гидроцилиндра 7. При этом усилие Rп на батарее и, соответственно, давление рабочей жидкости в гидроцилиндре, уменьшаются. Соответственно снижается до первоначального значения давление в проточке 16, трубопроводах 32 и 34 клапана давления 8 предохранительного механизма, в результате чего золотник 11 перемещается в исходное положение под воздействием пружины 14 клапана, а проточки 17 и 18 разобщаются. После этого гидравлические вибрационный и предохранительный механизмы гидропривода культиватора возвращаются в первоначальное состояние.

Таким образом, данное техническое решение позволяет реализовывать бесполезно теряемую энергию путем наведения вибрации на рабочие органы культиватора, и одновременно защищать орудие от перегрузок и поломок благодаря наличию предохранительного механизма и отключения наведенной вибрации в момент наезда на препятствие. Теоретические исследования данной конструкции, а также экспериментальные данные полученные на реальных лесных объектах подтверждают работоспособность предложенного технического решения, а именно: надежное преодоление культиватором пней высотой до 50 см, против 27 см у серийного; повышение производительности ЛПА на 22,5 %; уменьшение расхода топлива на 22 %; повышение коэффици-

ента технического использования до 0,81; снижение затрат на эксплуатационные издержки до 20 %.

Список использованных источников

1 Третьяков, А. И. К вопросу классификации вибрационных механизмов лесных почвообрабатывающих орудий [Текст] / А. И. Третьяков // Лесотехнический журнал / ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2012. - № 1. - С. 76-80.

2 Посметьев, В. И. Методологические основы повышения эффективности почвообрабатывающих орудий с помощью предохранителей [Текст]: монография / В. И. Посметьев. - Воронеж: ВГЛТА, 1999. - 196 с.

3 Посметьев, В. И. Обоснование перспективных конструкций предохранителей для рабочих органов лесных почвообрабатывающих орудий [Текст]: монография / В. И. По-сметьев. - Воронеж: ВГЛТА, 2000. - 248 с.