Динамический анализ загруженности двигателя фрезерного мотокультиватора «Нева» МК-200

Для механизации различных сельскохозяйственных работ в личных подсобных хозяйствах, приусадебных участках, а также выполнения малых объемов работ в крупных сельскохозяйственных предприятиях широко применяются мотоблоки и мотокультиваторы как отечественного производства («Нева» МК-200, Салют 100 и др.) так и зарубежного (Caiman ECO MAX 60S C2 – Франция, MTD T/240 B – Германия, Венгрия и др.) [6; 11]. Применяемые в данных машинах фрезерные рабочие органы с Г-образными ножами предназначены, как правило, только для работы в заданных конкретных почвенных условиях. Их использование в условиях, отличных от заданных, приводит к увеличению затрат мощности, снижению производительности и качества обработки почвы. Именно поэтому при эксплуатации почвообрабатывающих машин важным вопросом является установление наиболее оптимальных режимов с учетом конструктивных особенностей рабочих органов и конкретных почвенных условий, обеспечивающих наиболее высокую эффективность их функционирования [4–5; 7; 12].

Предлагаемый материал посвящен динамическому анализу загруженности двигателя фрезерного мотокультиватора «Нева» МК-200-С4,5, оснащенного двигателем внутреннего сгорания Subaru EX13, с учетом особенностей конструкции фрезерных рабочих органов и их взаимодействия с почвой.

Динамические исследования почвообрабатывающих машин с фрезерными рабочими органами расма-тривались в работах отечественных и зарубежных исследователей [1–3; 13–15], однако в них не предлагался анализ изменения требуемой мощности двигателя в зависимости от почвенных условий, что не позволяло охарактеризовать загруженность двигателя почвообрабатывающей фрезы и эффективность его функционирования.

Исследования динамических процессов работы фрезерного мотокультиватора «Нева» МК-200 заключаются в определении изменения крутящего момента на приводном валу фрезбарабанов за один полный его оборот и требуемой мощности двигателя, обеспечивающего его привод.

Для решения поставленной задачи используем графоаналитические методы [9; 12]. Динамический анализ проводим за один рабочий цикл, принятый равным одному полному обороту фрезбарабанов при условии установившегося протекания технологического процесса фрезерования почвы на глубине обработки h = 0,2 м. В качестве объекта обработки примем малогумусный чернозем с твердостью p в интервале 0,3–1,5 МПа, что соответсвует свежевспаханной и сильно уплотненной почве. Кроме того, учитываем конструктивные особенности машины и фрез-барабанов.

Для определения зависимости крутящего момента на приводном валу мотокультиватора от его угла поворота предварительно определим последовательность расположения рабочих органов (ножей) по секциям фрезбарабанов и врезания их в почву, а также рабочий угол резания ножа и величину максимального крутящего момента на приводном валу.

Анализ конструкции фрезбараба-нов и порядок взаимодействия их ножей с почвой представлены на рис. 1, а его результаты – в табл. 1 [8].

Для расчета рабочего угла ножа φ _р (град.) воспользуемся расчетной сх^ремой (рис. 2), из которой следует, что значение φ _р можно определить по следующей формуле [6]:

p p = 180 °- 2arcsin I 1

-

h

R

где h – глубина фрезерования почвы, м; h = 0,2 м; R – радиус фрезерного барабана, м; R = 0,16 м [8].

После подстановки значений h и R в (1) получим φ _р = 210°.

Величина максирмального значения крутящего момента на приводном валу фрезбарабана от действия одного ножа определяется зависимостью:

9550Pф max i                 , nф

где P _ф – мощность затрачиваемая на фрезерование почвы одним ножом, кВт; n _ф – частота вращения фрезерного барабана, мин^–1; n _ф = 120 мин^–1 [Там же].

Значение мощности P _ф с учетом особенностей функционирования фрезерного мотокультиватора будет определяться зависимостью [6; 10]:

P _ф =Р _рез +Р _отб , (3)

где P _рез и P _отб – мощность, затрачиваемая на резание и отбрасывание почвы одним ножом, кВт.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Порядок взаимодействия ножей с почвой Order of knives interaction with soil

Угол поворота φ, град.	№ диска № ножа	Угол поворота φ, градус	№ диска № ножа
0	II5, III9, V17*, VI21*	180	II7, III11 , V19*, VI23*
45	I1, IV13	225	I3, IV15
90	II6, III10, V18*, VI22*	270	II8, III12, V20*, VI24*
135	I2, IV14	315	I4, IV16

б

Р и с. 1 . Схема конструкции фрезбарабанов мотокультиватора «Нева» МК-200

F i g. 1. Structure diagram of the motorcultivators “Neva” MK-200 milling drums а – конструкция фрезбарабанов; б – расположение ножей в секциях фрезбарабанов; I, II, III, IV – номера основных секций; V*, VI* – номера дополнительных секций; 1, 2, …, 16 – номера ножей основных секций;

17*, 18*, …, 24* – номера ножей дополнительных секций

Р и с. 2. Расчетная схема для определения рабочего угла ножа

F i g. 2. Calculation scheme for determining the operating angle of the knife

Значения мощностей P _рез и P _отб , согласно рекомендациям [10], рассчитываются по формулам:

= k_hbv\^ (4) рез рез о , ()

= k_hbX^W³ . (5) ОГО ОТО О V /

Последовательно подставляя зависимости (4) и (5) в (3) и (2) соответственно, получим:

Р = hbv_o (к + ^Л^КГ³_{, (6)} ф          о \ рез ото о /            v /

, (7)

где kрез – коэффициент резания почвы, Нр /м2 (согласно [Там же], для малогумусного чернозема при твердости почвы р = 0,3–1,5 МПа, что соответствует свежевспахан-ной и сильно уплотненной почве, kрез = 5,8·103–13,0·103 Н/м2); kотб – коэффициент отбрасывания почвы, Нс2/м4 (для указанной почвы и диапазона твердости почвы kотб = 14–13 Нс2/м4); b – ширина захвата одного ножа, м (для ножа фрезерного мотокультиватора «Нева» МК-200 – b = 0,06 м); vо – окружная скорость на ножах фрезерных барабанов, м/с; λ – кинематический параметр фрезерного мотокультиватора.

Для практического использования коэффициентов k _рез и k _отб в зависимости от конретной твердости почвы p в указанном диапозоне, используя метод линейной интерполяции, определим их значения и на основании них составим табл. 2.

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Окружную скорость на ножах v _о (м/с) определяем расчетной зависимостью:

v ₀

^{п п} ф R

Подставляя известные значения n _ф и R в (8), получим v _о = 2 м/с.

Значение кинематического параметра λ расчитаем по формуле [6]:

X =

4 2 Rc - cc

R (’*12 )

2 z

• ^{R -} c

- arcsin-----

R

, (9)

где с – высота гребня на дне борозды, м (для получения однородной обработки почвы она должна быть c ≤ 0,2 h = 0,2·0,2= = 0,04 м [10]); z = 2 – количество ножей, вращающихся на одной плоскости (см. рис. 1а).

После подстановки известных значений в (9), получим λ = 6.

Таким образом, подставляя известные и найденные значения h, b, vo, λ, ωф и значения коэффициентов k и k , соответствующие показате-рез отб лям твердости почвы p (см. табл. 2), в (7), определим значения максимального крутящего момента на валу фрезбарабана при взаимодействии одного ножа с почвой. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Для построения графика изменения крутящего момента на приводном валу фрезбарабана при работе одного ножа воспользуемся кривой распределения приводного момента за рабочий ход для Г-образных ножей [Там же] и полученными максимальными значениями крутящего момента М и рабочим углом кр max i

φ _р = 210° при глубине обработки h = 0,2 м. В результате построим соответствующие графики изменения крутящих моментов (рис. 3).

Значения коэффициентов k _рез и k _отб и крутящего момента М _max в зависимости от твердости почвы p

Values of ratios k _рез, k _отб and torque M _max depending on soil hardness p

Наименование параметра, размерность	Номер режима по твердости почвы
	1	2	3	4	5
	Значение
Твердость почвы p , МПа	0,30	0,60	0,90	1,20	1,50
Коэффициент резания k рез, 103 Н/м2	5,80	7,60	9,40	11,20	13,00
Коэффициент отбрасывания k отб, Нс2/м4	14,00	13,75	13,50	13,25	13,00
Максимальный крутящий момент на валу фрезбарабана при взаимодействии одного ножа с почвой М max, Нм	14,90	18,30	21,70	25,00	28,40

Р и с. 3. Графики изменения крутящего момента на валу фрезбарабана при взаимодействии с почвой одного ножа в зависимости от угла его поворота

F i g. 3. Graphics of milling drum shaft torque ratios when interacting of a knife with soil depending on knife rotation angle

1, 2, 3, 4 и 5 – зависимости М _{кр maxi}, соответстветствующие твердости почвы 0,3, 0,6, 0,9, 1,2 и 1,5 МПа

Используя данные табл. 1, учитывающие особенности взаимодействия определенного количества ножей и угловой шаг между ними ( φ = 45°), производим суммирование значений графиков крутящего момента на валу фрезбарабана при взаимодействии с почвой одного ножа М _{кр max} в диапазоне твердости почвы 0,3–1,5 МПа, что позволит получить минимальные

в (10), получим значения М кр ср (см. табл. 3).

После этого определим требуемую мощность двигателя мотокультиватора P’ _дв , кВт, по формуле:

и максимальные значения суммарного

крутящего момента на приводном валу

мотокультиватора (табл. 3).

М ∑min

и М _∑mах , Нм

После этого определяем величины среднего крутящего момента М _{кр ср} (Нм) на валу фрезбарабана по формул^р е^р:

м

KP CP

KP max ⁺    KP min

Подставляя значения М _{кр min} и М _{кр mах} , соответствующие твердости почвы,

где n _дв – частота вращения вала двигателя, мин ^–1 (для двигателя Subaru EX13 которым оснащен мотокультивтор «Нева» МК-200-С4,5 n _дв = 3 600 мин^–1 [8]); i _о и η _о – общее передаточное отношение и общее КПД привода фрезерных рабочих органов (учитывая конструктивные особенности фрезерного мотокультиватора, а именно наличие цепного зубчато-цепного редуктора и клиноременной передачи [Там же], а также частоту вращения фрезерных рабочих органов n = 120 мин ^–1, i = 30 и η = 0,9). ^ф оо

Подставив найденные значения n _дв , i _о , η _о и значение М _кр ,взятые для твердости почвы 0,3–1,5^р МПа в (11), получим значения P’ _дв (см. табл. 3). На основании значений табл. 3 построим

Том 25, № 4. 2015 графики требуемой мощности двигателя P’ _дв (кВт) в зависимости от твердости почвы p (МПа) для фрезбарабанов, включающих в себя по 2 и 3 рабочие секции (рис. 4).

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Значения крутящих моментов на валу фрезбарабана, коэффициентов неравномерности и требуемой мощности двигателя в зависимости от твердости почвы

Values of milling drum shaft torque, irregularity ratios and the required engine power depending on soil hardness

Количество рабочих секций во фрезбара-бане	Параметр	Значения крутящего момента на валу фрезбарабана М кр и требуемой мощности двигателя P’ дв при твердости почвы p , МПа
		0,3	0,6	0,9	1,2	1,5
	Крутящий момент на валу фрезбарабана, Нм:
	– минимальный М кр min	104,5	134,3	150,4	185,1	217,6
2	– максимальный М кр mах	107,4	145,8	163,5	206,6	248,5
	– средний М кр ср	106,0	140,1	157,0	195,9	233,0
	Требуемая мощность двигателя P’ дв, кВт	1,48	1,96	2,19	2,73	3,25
	Крутящий момент на валу фрезбарабана, Нм:
	– минимальный М кр min	133,0	183,6	194,9	246,6	290,3
3	– максимальный М кр mах	167,8	213,2	246,3	303,4	363,0
	– средний М кр ср	150,4	198,4	220,6	275,0	326,6
	Требуемая мощность двигателя P’ дв, кВт	2,10	2,77	3,08	3,84	4,56

Р и с. 4. Графики изменения требуемой мощности двигателя в зависимости от твердости почвы

F i g. 4. Graphics of required engine power depending on soil hardness

На основании данных рис. 4 установим апроксимирующие функции требуемой мощности двигателя P’ _дв (кВт) от твердости почвы p (МПа) для фрез-барабанов, включающих по 2 и 3 рабочие секции:

P^ = 0,31 p ² + 0,88 p + 1,22 , (12)

P ;_в3 = 0,44 p ² + 1,21 p + 1,75 . (13)

Величина достоверности полученных аппроксимаций составляет R ² = 0,99.

Учитывая, что P’ _дв = P _дв = 3,2 кВт (где P _дв – мощность двигателя Subaru EX13 [Там же]), и ряд преобразований, запишем формулы (12) и (13) в виде квадратных уравнений:

p ² + 2,84 p - 6,4 = 0 , (14)

p ² + 2,75 p - 3,4 = 0. (15)

Решив их, выясним, что для рассматриваемого фрезерного культиватора «Нева» МК-200-С4,5 критические значения твердости почвы, при которых он может эксплуатироваться при условии максимальной загрузки двигателя, равны p _2max = 1,48 МПа для фрезбарабанов с 2 рабочими секциями и p _3max = 0,93 МПа – с 3 рабочими секциями соответственно.

Результаты расчетов и анализ графика (рис. 4) свидетельствуют о том, что фрезерный мотокультиватор «Нева» МК-200-С4,5 при комплектовании каждого из фрезбарабанов 2 секциями общей шириной 60 см обеспечивает при заданных технологических параметрах обработку почвы во всем расматриваемом диапозоне ее твердостей. Однако наиболее эффективная загрузка его двигателя обеспечива-

ется при p = 1,48 МПа. Применение мотокультиватора со фрезбарабана-ми, включающими по 3 секции общей шириной 90 см, ограничивается p = 0,93 МПа. Как и в предыдущем случае, максимальная загрузка двигателя обеспечивается только в одном режиме, соответствующему указанной твердости почвы.

Таким образом, проведенный динамический анализ загруженности

Том 25, № 4. 2015 двигателя фрезерного мотокультватора позволяет утверждать об ограниченности режимов его эффективного функционирования при обработке почвы с твердостью 0,3–1,5 МПа. В связи с этим необходимо найти конструктивные решения, позволяющие обеспечить расширение возможных режимов его эффективного функционирования в зависимости от свойств обрабатываемой почвы.

СПÈСÎÊ ÈСПÎËЬЗÎВÀÍÍЫХ ÈСТÎЧÍÈÊÎВ

• 1.    Анализ динамических нагрузок в приводе машины для обработки почвы в теплицах МПТ-1,2 / В. Ф. Купряшкин [и др.] // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5, Ч. 1. – С. 62–63.

• 2.    Андреев, В. И. Исследования динамических процессов ротационных почвообрабатывающих машин : автореф. дис. … канд. техн. наук / В. И. Андреев. – Москва, 1969. – 28 с.

• 3.    Динамика работы малогабаритной почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 / В. Ф. Купряшкин [и др.] // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : сб. мат-лов Междунар. науч.-техн. конф. – Саранск : [б. и.], 2004. – С. 296–307.

• 4.    Динамические условия обеспечения равномерного движения самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с ходовыми колесами / В. Ф. Купряшкин [и др.] // Нива Поволжья. – 2011. – № 4. – С. 52–56.

• 5.    Купряшкин, В. Ф. Повышение эффективности функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы оптимизацией конструктивно-технологических параметров (на примере фрезы ФС-0,85) : автореф. дис. … канд. техн. наук / В. Ф. Купряшкин. – Саранск, 2011. – 20 с.

• 6.    Купряшкин, В. Ф. Устойчивость движения и эффективное использование самоходных почвообрабатывающих фрез : Теория и эксперимент / В. Ф. Купряшкин. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2014. – 140 с.

• 7.    Мелихов, В. В. Размещение ножей на валу фрезбарабана ротационных почвообрабатывающих машин / В. В. Мелихов // Тракторы и сельхозмашины. – 1974. – № 5. – С. 17–18.

• 8.    Мотокультиватор «Нева» МК-200 и его модификации : руководство по эксплуатации 005.65.0100 РЭ4 : ЗАО «Красный Октябрь-Нева». – Санкт-Петербург : [б. и.], 2013. – 36 с.

• 9.    Наумкин, Н. И. Теория механизмов и машин и ее приложения в АПК / Н. И. Наумкин, Н. В. Раков, В. Ф. Купряшкин. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. – 220 с.

• 10.    Синеоков, Г. Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г. Н. Синеоков, И. М. Панов. – Москва : Машиностроение, 1977. – 328 с.

• 11.    Средства механизации для производства и переработки сельскохозяйственной продукции в малых формах хозяйствования : кат. – Москва : ФГНУ «Росинформагротех», 2008. – 280 с.

• 12.    Чаткин, М. Н. Кинематика и динамика ротационных почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. – 316 с.

• 13.    Чаткин, М. Н. Особенности динамического анализа работы почвообрабатывающих фрезерных машин / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин // Механизация и электрификация сельского хозяйств. – 2006. – № 12. – С. 9–11.

• 14.    Sohne, W. Eeinfluss von Form und Anordnung der Werhzeuge auf Antriebsmomonte von Acker-frasen, Grundl. D. Landtechn / W. Sohne. – 1957. – № 9. – P. 696–787.

• 15.    Tomiko, J. On the Shape of flatknite tines “Natabo” for garden type rotary tillers / J. Tomiko. – Tokyo, 1965.

Поступила 07.09.2015 г.

Об авторах:

Submitted 07.09.2015

About the authors: