Обоснование параметров вибрационных почвообрабатывающих машин

Обоснование параметров вибрационных почвообрабатывающих машин

М.М. Константинов, д.тн, профессор, С.Н. Дроздов,

соискатель, Оренбургский ГАУ; Д.П. Юхин, к.т.н., Башкирский ГАУ

К числу достижений современной науки и техники, которые могут быть использованы в сельскохозяйственном производстве, относятся различные вибрационные и импульсные методы интенсификации технологических процессов. Вибрационные машины не только экономичны, но с их помощью возможно выполнить такие технологические операции, которые не могут осуществить машины с постоянно действующими усилиями.

Особое внимание специалисты уделяют применению вибрации при обработке почвы, являющейся наиболее энергоёмкой операцией современного сельскохозяйственного производства [1].

Однако в настоящее время наблюдается тенденция к использованию широкозахватных комбинированных почвообрабатывающих орудий. В этом случае процесс применения вибрации в почвообрабатывающих машинах для снижения тягового сопротивления недостаточно изучен и требует новых инженерных подходов.

Движение почвообрабатывающего орудия по полю является неравномерным, а в виде толчков (колебаний). Эти колебания возникают за счёт неоднородности структуры почвы и за счёт вынужденных колебаний маятникового вибратора, установленного на раме машины.

Схема почвообрабатывающего орудия с маятниковым вибратором направленного действия представлена на рисунке 1.

Подвижность почвообрабатывающего орудия обеспечивается маятниковым вибратором направленного действия, который имеет дебалансы в виде зубчатых колёс. Колёса вращаются с одинаковой угловой скоростью в разные стороны и создают возмущающую силу Геоз. Почвообрабатывающее орудие совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях с амплитудами Ах и Ау [2].

Рис. 1 - Схема почвообрабатывающего орудия с маятниковым вибратором: в - возмущающая сила; Гу - вертикальная составляющая возмущающей силы; Гх - горизонтальная составляющая возмущающей силы; Я - сила воздействия рабочего органа; Ах, Ау - амплитуда колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях; в - вес орудия; V - направление скорости движения

Для упрощения расчётов принимаем:

— грунт является сплошной упруго-вязкой, изотропной средой, упругость среды проявляется в восстановлении деформаций после разгрузки, вязкость — в том, что деформация развивается с запаздыванием по отношению к приложенному напряжению;

— собственные колебания системы зависят от начальных условий и с течением времени быстро затухают, поэтому рассматривается решение только для установившихся вынужденных колебаний;

— рассматривается плоская, одномерная задача;

— грунт активно взаимодействует с рабочим органом по всей толщине обрабатываемого слоя;

— разуплотнение происходит в результате воздействия нормальных нагрузок, возникающих от рабочего органа в горизонтальном и вертикальном направлениях, без учёта касательных напряжений в почве;

— почвообрабатывающее орудие не отрывается от поверхности почвы, так как процесс обработки должен происходить с наименьшими энергопотерями;

— рама и стойки рабочих органов почвообрабатывающего орудия являются жёсткой конструкцией, т.е. деформации отсутствуют;

— угловыми колебаниями в продольной плоскости почвообрабатывающего орудия пренебрегаем, т.е. орудие совершает строго вертикальные и горизонтальные колебания;

— поверхность обрабатываемой почвы принимаем ровной, исключающий вертикальные колебания орудия из-за неравномерности рельефа поля.

Вычислим значение силы сопротивления, используя принятую нами реологическую модель почвы (рис. 2). Для этого все рабочие органы почвообрабатывающего орудия приведём к одной точке О.

Рабочий орган (плоскорезная лапа и глубо-корыхлитель) воздействует на почвенный объём V в горизонтальной и вертикальной плоскостях через т. О. При этом сила воздействия Я рабочего органа будет расходоваться на деформации упругого Спочв и вязкого Ьпочв элементов. Тогда сила воздействия, вызывающая сопротивление почвенного объёма ЯГ и равна:

Яг - п ) + )) + Рт -Рх;

Яв — п  (^) + Р4^)) -^,

Р2, — сила, расходуемая на преодоление

вязких сопротивлений почвы, Н;

О — вес почвообрабатывающего орудия, Н; Рх, ¥у — амплитудное значение возмущающей силы относительно осей Х и Y, Н;

¥Т — сила сопротивления протаскиванию почвообрабатывающего орудия, Н; f — коэффициент сопротивления передвижению почвообрабатывающего орудия; п — количество рабочих органов почвообрабатывающего орудия, шт.

^ - (О - ¥у)  /.

Амплитудное значение возмущающей силы относительно осей Х и Y определим по формуле:

Рх — 2т  ю2  г  Бт юt  Бт а;

¥у — 2т  ю

г  Бт юt  соБа,

где Г1, Г3 — сила, расходуемая на преодоление упругих сопротивлений почвы, Н;

где m — масса дебаланса, кг;

ю — угловая скорость вращения дебаланса, рад/с;

г — расстояние центра масс дебаланса от точки вращения, м; t — время, с;

а — угол установки корпуса вибратора к горизонту, град.

Воздействие рабочего органа на почвенный слой вызовет смятие и сдвиг почвенных частиц и будет сопровождаться элементарными перемещениями в почвенной среде, в частности в упругом и вязкостном элементах. Перемещение т. О контакта рабочего органа с почвой будет состоять из перемещения х и у.

Рис. 2 - Силовое возбуждение колебаний почвообрабатывающего орудия с вибровозбудителем: V - почвенный объём; Ь - элемент вязкости; С - элемент упругости

х — УГ t;

У — ^,

Перемещение х и у можно определить урав нениями:

X — М) ;

С

почв

Fз

У —

С

Для вычисления перемещения х и у подставим уравнения 5 и 6 в уравнение 4, получим:

Уг t — ;

У Л —

М2

с_„.„:

к

Л

Силы ¥2 и ¥4 определим через Ьпоч(1 по формуле, предложенной С.П. Тимошенко [3], получим:

¥2 — Ъ Уг;

2 почв Г’

¥ — Ъ У

1 4 ипочв у В'

Так как объёмы почвы V в горизонтальной и вертикальной плоскостях, контактирующие с т. О, находятся на близком расстоянии друг от друга, можно предположить, что они обладают одинаковыми физико-механическими свойствами, т.е. упругие Спочв и вязкие Ьпочв составляющие элементов в разных плоскостях равны. Заменим произведение Спочв  t динамической вязкостью почвенного слоя ц. В свою очередь:

где V — кинематическая вязкость почвенного слоя, м2/с;

р — плотность обрабатываемого слоя почвы, кг/м3.

Откуда

Р:

т„

У

где VГ, Vв — скорость перемещения точки О контакта рабочего органа с почвой в горизонтальной и вертикальной плоскости соответственно, м/с.

Решая уравнения 7 и 8, получим:

где mпочв — масса почвы в слое, участвующая в обработке, кг.

Объём почвы, подверженный обработке, определим по формуле:

V = S  а,

где S — площадь почвы, м2;

а — средняя глубина обработки почвы, м. Тогда:

¥ — Уг • V  тп

¥ — УВ тп

0*3 „

Л а Л а

Если учесть, что почвообрабатывающее орудие движется не вертикально вверх, а только совершает колебания, то можно принять скорость воздействия рабочих органов почвообрабатывающей машины, а именно скорость удара для получения остаточного перемещения у [1].

-------------теоретическая кривая — — — — — теоретическая кривая с вибровозбудителем

Рис. 3 - Зависимость тягового сопротивления от скорости движения при различной глубине обработки

Тогда запишем:

С7)

где с1Щ — предел пропорциональности почвы,

Па;

Е — модуль упругости почвы при сжатии и растяжении, Па;

g — ускорение свободного падения, м/с2; у — удельный вес почвы, Н/м3.

Подставим полученные данные в уравнения 1, получим:

Rr=„.Vr-(^^ + bnoJ +

S а

+

R =п-с  Lg_.(v'w»^ +b )_

В пи Л 7-1 V о почв '

\Е'1 s'a

-2т- г -со2 - cosa.

Окончательно вычислим результирующую тягового сопротивления почвообрабатывающей машины:

R = jR*+R¡.

Графическая интерпретация уравнений 18 и 19 даёт график изменения тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия в зависимости от скорости движения при различной глубине обработки почвы (рис. 3).

Сравнивая полученные теоретические результаты изменения тягового сопротивления, можно сделать вывод, что наблюдается заметное снижение теоретического тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия с вибровозбудителем.

Выводы и заключение. Таким образом, реологическая модель почвы позволила вывести уравнение тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия с вибровозбудителем направленного действия, что подтверждается графиками. Использование вибровозбудителя на широкозахватных комбинированных почвообрабатывающих орудиях позволит с наименьшими эксплуатационными затратами использовать сельскохозяйственную технику.

Литература

1. Верняев О.В. Активные рабочие органы культиваторов. М.: Машиностроение, 1983. С. 3.

2. Константинов М.М., Юхин Д.П., Дроздов С-.Н. Патент №2415526 Почвообрабатывающий агрегат. Бюл. № 12. М., 2009. 4 с.

3. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. 444 с.