Исследование кинематики пружинных предохранителей культиваторов

Постановка задачи . В культиваторостроении наиболее распространены пружинные предохранительные механизмы с откидывающейся назад шарнирно-поводковой подвеской (рис.1). В нем стойка удерживается в исходном состоянии за счет предварительного натяжения пружины АВ . Предохранительным фактором в таких предохранителях является выглубление Z . Под действием силы соударения стойка поворачивается вокруг шарнира О , и рабочий орган, выглубляясь, перескакивает через препятствие. Размер выглубления должен быть достаточным, чтобы перескочить через препятствие. Обычно Z _max не превышает глубину хода рабочего органа h .

Рис.1. Схема работы пружинного предохранителя с откидывающейся шарнирно-поводковой подвеской: а – начальное положение; б – состояние после срабатывания предохранителя

Рис.2. Идеальная кинематическая характеристика предохранителя

Идеальной силовой характеристикой предохранителя будет пороговая характеристика типа перескока (рис.2). В реальных системах с трением она неоднозначна. Идеальная характеристика трудно осуществима, возможно лишь приближение к ней.

Дополнительное требование к характеристике предохранителя: по мере поворота стойки увеличение силы не должно быть слишком большим, чтобы не перегружать стойку.

Характеристики предохранителей определяются топологией шарнирного трехзвенника ОАВ (см. рис.1) [2].

В качестве объектов исследования приняты типовые наиболее распространенные конструкции с различным конструктивным исполнением и топологией трехзвенника ОАВ . Общий вид представлен на рис.3, а кинематические схемы на рис.4.

Рис.4. Кинематические схемы пружинных предохранителей, показанных на рис.2

Рис.3. Общий вид исследуемых предохранительных подвесок:

а – культиватора КПЭ-3,8; б – культиватора АКВ-4; в – культиватора Salford; г – культиватора КПК-4; д – экспериментальная подвеска с S -образным упругим элементом

В конструкциях (см. рис.3, а , б , г ) в качестве упругого элемента используют спиральные пружины сжатия, а в конструкции (см. рис.3, в ) – пружины растяжения. Вместе с деталями регулировочных узлов они образуют достаточно сложные и громоздкие механизмы. Различна топология упругого трехзвенника – с вертикальным (см. рис.4, а , б ) или наклонным (см. рис.4, в , г ) расположением упругого элемента. Шарнир В может располагаться перед шарниром О стойки (см. рис.4, а , б , г ) или позади (см. рис.4, в ).

Форма трехзвенника АОВ представляет собой прямоугольный (см. рис.4, а , б , в ) или тупоугольный треугольник (см. рис.4, г ). Экспериментальная подвеска (см. рис.4, д ) имеет тупоугольный треугольник с горизонтальным расположением упругого трехзвенника. Упругий элемент выполнен в виде S -образной рессоры, работающей на продольный изгиб.

Массово-геометрические характеристики предохранительных подвесок приведены в таблице.

Массово-геометрические характеристики предохранительных подвесок

Подвеска	Н , мм	Т , мм	В , мм	L , мм	Масса, кг
а	710	135	410	340	31,8
б	530	0	390	315	22,1
в	560	160	250	275	25,5
г	450	150	330	275	16,2
д	400	230	330	275	14,5

Примечание . В – ширина стрельчатой лапы культиватора.

Методика экспериментального исследования. Для определения кинематических характеристик использован нагрузочный стенд (рис.5) с приложением горизонтальной нагрузки с помощью тросовой лебедки. Сила замеряется динамометром; одновременно измеряются вертикальные смещения носка и крыльев рабочего органа.

Рис.5. Стенд для исследования кинематики пружинных предохранителей

По результатам измерений построены графики зависимости выглубления носка рабочего органа от нагрузки Z ( Р).

На рис.6 приведены траектории движения носка лапы при нагружении, которые обеспечивают исследуемые подвески.

Рис.6. Траектории движения носка лапы при нагружении предохранителей:

- ♦ - - культиватора КПЭ-3,8; -▲- - АКВ-4; - х - - Salford; -+- - КПК-4;

--- - экспериментальной подвески с S -образным элементом

Несмотря на единство типа предохранительных подвесок, шарнирно-рычажный вид траекторий отличается принципиальным разнообразием.

Все траектории далеки от идеальных в том смысле, что четкий порог срабатывания у них отсутствует. Особенно это выражено у подвески культиватора АКВ-4 (см. рис.3, б ), которую трудно назвать предохранительной, так как выглубление практически отсутствует. Не намного больше выглубление и у подвески КПЭ-3,8 (см. рис.3, а ). Упругость придает таким подвескам лишь амортизационные свойства. Наиболее быстрое выглубление дает подвеска Salford (см. рис.3, в ). У подвески КПК-4 (см. рис.3, г ) от порога срабатывания начинается плавное нарастание интенсивности выглубления, способствующее сохранению равномерности хода по глубине при работе на пороге срабатывания. Однако выглублению в этих подвесках сопутствует неограниченное нарастание нагрузки на стойку, создающее угрозу ее прочности.

Характеристика предохранителя (см. рис.3, д) с S -образным упругим элементом выгодно отличается тем, что имеет ограничение роста требуемой нагрузки, что повышает надежность подвески, не снижая ее предохранительных свойств. Замена громоздкого пружинного механизма со спиральными пружинами легкой S -образной рессорой, работающей на продольный изгиб, позволило добиться наименьшей металлоемкости предохранителя (см. таблицу).

Заключение. Кинематика существующих пружинных предохранителей культиваторов отличается необоснованным разнообразием, что говорит об отсутствии единой концепции их конструирования и требует создания единой методологии их расчета и проектирования. Наилучшую кинематику показывает предохранительная подвеска с S- образным упругим элементом; она имеет пониженную металлоемкость и способность к ограничению деформаций упругого элемента. Последнее имеет большое значение для надежности работы предохранителя.