К обоснованию кинематических параметров эксцентрикового почвообрабатывающего орудия

Введение. В технологическом процессе возделывания сельскохозяйственных культур важно сформировать необходимые почвенные условия на начальном этапе посредством оптимизации приемов поверхностной обработки почвы и посева. Программа развития культурных растений на протяжении всего периода их вегетации при прочих равных условиях должна обеспечивать их высокую продуктивность и, как следствие, максимальную урожайность [1, 2, 3]. В связи с этими определяющими факторами в совершенствовании агромашин с целью повышения эффективности их функционирования являются механико-технологические основы разработки новых принципов и технологических режимов воздействия на почву, основанных на принципе комбинированного воздействия для обеспечения ее требуемых технологических свойств [4, 5, 6]. Кроме того, одна из задач поверхностной обработки почвы при посеве – обеспечение требуемых агрегатного состава и сложения покровного слоя почвы, что обеспечит его эрозионную устойчивость [7]. Следовательно, актуальной научно-технической задачей является совершенствование процессов функционирова- ния агроорудий на основе принципа комбинированного воздействия на почвенную среду при оптимизации параметров машин с учетом кинематических особенностей процесса их работы [8, 9, 10].

В связи с этим целью исследования является определение зависимостей, характеризующих кинема- тические режимы работы эксцентрикового почвообрабатывающего орудия.

Методика исследования. Объектом исследований является кинематический режим работы эксцентрикового почвообрабатывающего орудия, оснащенного эксцентрично установленными уплотняющими рабочими органами.

а – вид сбоку; б – вид сверху; 1, 2 – каток; 3, 4 – ось; 5 – рама; 6 – цепная передача;

7 – натяжной механизм; 8 – сцепное устройство

Рисунок 1 – Почвообрабатывающее орудие с эксцентрично установленными осями катков

а

б

Для формирования мелкоагрегатного, структурированного и оптимально уплотненного посевного слоя почвы при посеве сельскохозяйственных культур нами разработано прикатывающее орудие [11, 12, 13, 14], преимущественное отличие которого заключается в сочетании разнохарактерного воздействия его установленных друг за другом цилиндрических катков 1 и 2 на одни и те же участки поверхности почвы. Оси 3 и 4 цилиндрических катков 1 и 2 установлены с эксцентриситетом е и смещены от горизонтальных осей симметрии на одинаковые расстояния, при этом ось 4 катка 2 смещена от его горизонтальной оси симметрии в сторону, противоположную направлению смещения оси 3 катка 1. Орудие имеет раму 5 для крепления рабочих элементов. Оси 3 и 4 соединены цепной передачей 6 с натяжным механизмом 7, передаточное отношение которой равно единице. Рама 7 орудия оснащена сцепным устройством 8 для составления почвообрабатывающего машинно-тракторного агрегата.

Разнохарактерность действий катков обусловлена кинематическими и динамическими особенностями перемещения орудия по поверхности почвы в связи с эксцентричным расположением осей 3 и 4 катков 1 и 2. Эта отличительная особенность орудия состоит в том, что при поступательном движении и вращении катков возникает дополнительное динамическое усилие на почву, обеспечивающее комбинирование деформаций растяжения-сжатия поверхностного слоя, что улучшает уплотняющую способность орудия и интенсивность формирования мелкокомковатого структурированного посевного слоя [15].

Положим, что катки, вращаясь, движутся горизонтально с постоянной скоростью v. К осям катков с установленными на них звездочками приложена гори- зонтально направленная движущая сила F. Рассмотрев кинематику прикатывающего орудия, примем, что катки катятся без проскальзывания (рисунок 2). Мгновенный центр вращения Р находится в точке касания катка с неподвижной поверхностью почвы.

Запишем математические соотношения угловых скоростей ω для различных положений цилиндра [15]. Угловая скорость катка в начальном положении (рисунок 2 а) его оси со звездочкой, установленной с эксцентриситетом е, to = vxJAP = vx/(R + r);

– при повороте оси катка со звездочкой на угол 90º (рисунок 2 б ):

to = v_x/CP = v_xJR ;

– при повороте оси со звездочкой на угол 180º (рисунок 2 в ):

to = vx/DP = vx/(R - r) , где vx – горизонтальная составляющая скорости перемещения точки А катка, м/с; R – радиус катка, м; r – радиус вращения оси катка, м.

а

б а – начальное; б – при повороте на 90º; в – при повороте на 180º; г – при повороте на угол φ Рисунок 2 – Положение оси катка со звездочкой в разные моменты времени

Угловую скорость катка в любом положении, отличном от начального (рисунок 2 г), определим с учетом углового перемещения оси со звездочкой φ = 2πt в различные моменты времени t по формуле to = vx/EP = vx/(R + r cos

= v_x/\R + r cos(2n"t)], (1) где φ – угловое перемещение оси со звездочкой от начального положения, рад.

Подставив в выражение (1) известные значения оптимальной скорости, полученные при обработке результатов экспериментальных исследований, v x = 3,25 м/с и радиуса катка R = 0,53 м при различных значениях радиуса вращения оси катка ( r = 0,03; 0,06; 0,09 м), получим зависимость угловой скорости ω от конструктивных параметров катка в различные моменты времени t (рисунок 3 а ).

Угловое ускорение катка в зависимости от углового перемещения оси со звездочкой φ = 2πt в различ- ные моменты времени t можно определить по формуле [15]:

ε = ω′ = { v x / {R + r cos(2 π t )]}′ = [2 π v x r sin (2 π t )] / [ R + r cos (2 π t )]².

Зависимость (2) углового ускорения ε от времени t при различных значениях радиуса вращения оси катка r представлена на рисунке 3 б .

а

Рисунок 3 – Зависимость угловой скорости ω ( а ) и углового ускорения ε ( б ) катка от времени t при различных радиусах вращения оси

б

Результаты исследований и их обсуждение. В ходе аналитического исследования движения катка, ось которого установлена с эксцентриситетом е и вращается по радиусу r относительно его горизонтальной оси симметрии, выявлено, что изменение угловой скорости и углового ускорения относительно мгновенного центра вращения катка характеризуется косинусоидальной зависимостью. Это формирует неодинаковое динамическое усилие катка на почву в разные моменты времени, что определяет разнохарактерное воздействие катка на почву при его перекатывании. Однако почвообрабатывающее орудие оснаще- но двумя катками, поэтому рассмотрим кинематику системы, состоящей из двух цилиндрических тел, соединенных между собой цепной передачей. Такое соединение обеспечивает противофазовое положение эксцентрично установленных осей катков в процессе работы. Примем, что катки перекатываются по поверхности почвы без проскальзывания по прямолинейному участку, их масса равномерно распределена по цилиндрическим поверхностям, линейные скорости катков равны скорости орудия vx1 = vx2 = vx (рисунок 4).

Рисунок 4 – К определению угловых скоростей ω и ускорений ε катков

Тогда мгновенные центры вращения каждого катка P 1 и P 2 находятся в точке касания с поверхностью.

Определим угловую скорость каждого из катков орудия в единой системе координат xOz. Так как оси катков могут быть установлены с разным угловым смещением от начального положения, то в общем случае, с учетом углового перемещения осей φ = 2πt + λ, выражение (1) примет следующий вид:

ω = v x / [ R + r cos(2 π t + λ )], (3) где λ – начальное угловое смещение оси второго катка (точки Е 2 ) относительно начального положения оси первого катка (точки Е^/ 1 ), рад.

Если в начальный момент времени оси катков установлены со смещением в противоположные стороны относительно горизонтальных осей симметрии катков, то для первого катка λ = 0, а для второго λ = π. Тогда изменение угловых скоростей обоих катков орудия в зависимости от угловых перемещений осей φ1 и φ2, связанных между собой соотношением φ2 = φ1 + λ, в различные моменты времени t при известных vx, R и r в соответствии с выражением (3) примет вид, показанный на рисунке 5 а.

Для определения углового ускорения катков орудия вычислим первую производную угловой скорости ω [17], тогда

ε = ω′ = { v x / {R + r cos(2 π t + λ )]}′ =

= [2 π v x r sin (2 π t )] / [ R + r cos (2 π t + λ )]².

Зависимость углового ускорения катков от времени t представлена на рисунке 5 б .

б

1 – для первого катка; 2 – для второго катка

Рисунок 5 – Зависимость угловой скорости ω ( а ) и углового ускорения ε ( б ) катков орудия от времени t

Анализ рисунка 5 дает основание полагать, что аналогичным образом меняется действующая со стороны катков на почву динамическая сила [16]. Причем в разные моменты времени характер действия этой силы на почву различен. Это позволяет сформировать на поле участки с различающейся плотностью, при правильной настройке конструктивных параметров почвообрабатывающего орудия колеблющейся в пределах агротехнических требований, что особенно важно при прикатывании почвы при посеве озимых культур в Среднем Поволжье [17].

Выводы. Таким образом, полученные выражения для определения угловой скорости и углового ускорения катков устанавливают взаимосвязь этих параметров с поступательной скоростью агрегата, радиусом катков и эксцентриситетом их осей, а также определяют кинематический режим работы почвообрабатывающих орудий аналогичного конструктивного исполнения при различных комбинациях регулируемых параметров. Полученные при обработке результатов экспериментальных исследований значения оптимальной скорости vx = 3,25 м/с и оптимального радиуса катка R = 0,53 м позволяют получить аналитическую и графическую зависимости угловой скорости ω и уско- рения ε в различные моменты времени t при различных значениях радиуса вращения оси катка (r = 0,03; 0,06; 0,09 м).

В результате аналитического исследования движения катка выявлено, что изменение угловой скорости и углового ускорения относительно мгновенного центра вращения катка характеризуется косинусоидальной зависимостью. Следовательно, изменяющееся при перекатывании катков динамическое усилие на почву в разные моменты времени определяет разнохарактерное воздействие катка на почву в процессе работы, что необходимо обеспечить при прикатывании почвы под озимые культуры.