Обгрунтування параметрів ротаційного розпушувача грунту (стр. 2 из 5)

Питаннями дослідження роботоздатності ротаційних ґрунтообробних знарядь займались такі вчені: Панов І.М., Босой Є.С., Сакун В.О, Коновал А.І., Кацигін В.В., Деграф Г.А., Юзбашев В.А., Кокоз В.А., Павлинов А.І., Кузнєцов Ю.А., Андреєв В.І., Яцук Є.П., Герук С.М., Попов І.М., Єфімов Д.М., Далін А.Д., Павлов П.В., Панченко А.М. та і ін. Їхні наукові дослідження в основному були направлені на вирішення питань оптимізації режимів роботи, конструкційно-технологічних параметрів, витрат потужності на привод ротаційних знарядь, в яких в конструкції ротаційних ріжучих елементів закладений тільки один спосіб руйнування ґрунту – різання.

Аналіз конструкцій ротаційних робочих органів ґрунтообробних знарядь для передпосівного суцільного обробітку ґрунту свідчить про їх недоліки: низьку швидкість переміщення знаряддя – (до 1,5 м/с) і відповідно невелику продуктивність; велику частоту обертання вала ротора (540-1000 хв^-1), що зумовлює великі енерговитрати; високі питомі металомісткість і енергомісткість конструкцій. А тому, перспективним напрямом створення нових конструкцій ротаційних розпушувачів, є: спрощення конструкції, підвищення якості обробітку ґрунту, зменшення енергомісткості процесу.

У другому розділі “Теоретичне обґрунтування параметрів ротаційного розпушувача ґрунту” обґрунтовано конструкцію ротаційного розпушувача ґрунту (рис. 1).

Розроблена математична модель взаємодії системи ножів розпушувача із структурними агрегатами ґрунту і складено рівняння руху структурних агрегатів вздовж осі барабана між ножами. На основі кінематично-динамічного аналізу руху ножа розпушувача і структурних агрегатів ґрунту обґрунтовано параметри ґрунтообробних поверхонь розпушувача: конструкційні – довжину і ширину ножа, кількість ножів по кругу барабана, крок витка розміщення ножів, кут зсуву ножа в плані, ширину захвату машини; кінематичні – показник кінематичного режиму, швидкість руху ротаційного розпушувача; динамічні – опір різанню ґрунту ножем розпушувача і витрати потужності на обробіток ґрунту.

Рис. 1. Конструкційно-технологічна схема ротаційного розпушувача:
1 – рама; 2 – барабан; 3 – вал; 4, 5 – система ножів; 6 – ланцюгова передача;
7 – редуктор; 8 – вал відбору потужності трактора.

Вихідними умовами процесу розпушування ґрунту є рівняння руху ножа (рис. 2):

;

(1)

де V_м – швидкість поступального руху машини, м/с; t – час, с; R – радіус траєкторії крайньої точки ножа, м; w – кутова швидкість обертання системи ножів розпушувача, с^-1.

Рис. 2. Схема до визначення основних показників ротаційного розпушувача:
а – глибина обробітку; h₁ – висота гребенів; S₂ – крок ножа;
j – кут повороту ножа.

З іншого боку, розглянувши динаміку руху структурних агрегатів по поверхні ножа і сил, що діють на нього (рис. 3), отримали рівняння руху структурних агрегатів по поверхні ножа:

(2)

де m – маса структурних агрегатів, кг;

прискорення руху структурних агрегатів, м/с²; Р_r – радіальна сила, кН; Р_о – осьове зусилля тиску структурних агрегатів, кН; N – нормальна сила тиску структурних агрегатів, кН.

Рис. 3. Схема руху структурних агрегатів по робочих поверхнях
ножа і сил, що діють на нього.

Дослідивши процес руху ножа і структурних агрегатів ґрунту, отримали залежність для розрахунку показника кінематичного режиму λ ротаційного розпушувача:

λ =

,(3)

Ця залежність показує, що на кінематичний режим ротаційного розпушувача впливає багато чинників: глибина обробітку а, кількість ножів по кругу Z, осьовий тиск структурних агрегатів Р₀, крок витка розміщення ножів Т, швидкість руху знаряддя V_м, ширини ножа l_Н, кута зсуву ножа в плані

, кут укладання структурних агрегатів

, кути зовнішнього і внутрішнього тертя і .

Для визначення кроку витків розміщення ножів розпушувача розглядалися зони деформації ґрунту у поздовжній площині, у поперечній площині по лінії сколу і у поперечній площині по максимальній товщині стружки ґрунту, який зрізується (рис. 4). Максимальна товщина стружки δ виникає при повороті ножа на кут α_в. Вздовж ножа під кутом (45є + φ₂) від передньої грані АС проходить скол ґрунту по лінії АВ (рис. 4,а).

Для дослідження явища поперечного сколу ґрунту по лінії АВ використовуємо таку методику. Продовжуємо довільно лінію АВ. Беремо на лінії АВ довільну точку А. Від точки А симетрично відкладаємо ширину захвата ножа в. Одержуємо точки А₁ і А₂. По осі симетрії відкладаємо довжину сколу АВ. Через точку В проводимо лінію, паралельну А₁, А₂. З точок К₁ і К₂ під кутом внутрішнього тертя φ₂ до вертикалі проводимо лінії до перетину з В₁ В₂. Одержуємо точки М і N. Довжина МN визначає ширину зони деформації поперек. З’єднуємо точки М і N з точками відповідно А₁ і А₂. Одержана трапеція А₁ А₂ N М є зоною деформації ґрунту ножем поперек руху по лінії АВ. Кут φ – це напрям сколу поперек до вертикалі. Для визначення цього кута використовуємо рис. 4,б.

Рис. 4. Зони деформації ґрунту ножем ротаційного розпушувача.

Одержана формула для розрахунку кроку витка ножів має вигляд:

Т = (Z – 1) ∙

,(4)

На величину кроку витка ножів відповідно впливають: показник кінематичного режиму λ, кількість ножів по кругу Z, глибина обробітку а, ширина ножа l_H, кут внутрішнього тертя ґрунту φ₂.

Для визначення величини опору різання ґрунту ножем ротаційного розпушувача розглянули схему сил, що діють на ніж і параметри ножа (рис. 5).

Дотична складова опору різання ґрунту ножем рівна:

, (5)

де S_T – опір різанню ґрунту від сколу в поздовжньому напрямку, Н; S_бок – опір різанню ґрунту від сколу в поперечному напрямку, Н; S_зат – опір від площадки затуплення ножа, Н; Р_v – опір від швидкості різання, Н.

Рис. 5. Схема сил, що діють на ніж і параметри ножа

Розглянувши переміщення структурних агрегатів ґрунту по поверхні робочих органів, отримали відношення для розрахунку опору різання ґрунту ножем ротаційного розпушувача по зонах деформації ґрунту для трьох складових опору різання: дотичної Р_р1, нормальної Р_р2, поперечної Р_р3.

Р_р1 = С_пит∙[2в + 2,64 сos(45⁰ + φ₂)∙tgφ₂]∙ δ cos(45⁰ + φ₂) + 2

∙sin arctg

cosε ∙δ²tg²(45⁰ –0,5φ₂)∙γ ∙sinφ2

∙tgφ₁

+

, (6)

де К΄ – гранична несуча здатність ґрунту, кН/м²; Х і Z – параметри площадки затуплення, м;

– задній кут ножа, град.; С_пит – питоме зчеплення частинок, кН/м²; в – ширина захвату ножа, м; δ – товщина стружки, м; γ – об’ємна маса ґрунту, т/м³.

Нормальна складова опору ґрунту різанню:

Р_р2= 0,2 Р_р1, (7)

Поперечна сила направлена перпендикулярно руху ножа:

Р_р3 = Р_р1сtg(ε + φ₁), (8)

Для одержання необхідного ступеня подрібнення ґрунту із використанням комбінованої дії системи ножів ротаційного розпушувача на структурні агрегати ґрунту споживається така потужність:

, (9)

де В₀ – ширина захвату розпушувача, м; σ – межа міцності структурних агрегатів, Н/м²; Е – модуль пружності ґрунту, Н/м²; Р_р1 – дотична складова опору ґрунту різанню, Н; в – ширина захвату ножа, м; δ – товщина стружки, м; К_L – умовна довжина пласта ґрунту, К_L = 1,0 м; і_р – ступінь подрібнення ґрунту від різання структурних агрегатів; і_ст – ступінь подрібнення ґрунту від стискування структурних агрегатів; і_пер – ступінь подрібнення ґрунту від перетирання структурних агрегатів.