Повышение эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез путем использования адаптивных энергофективных рабочих органов

Самоходные малогабаритные почвообрабатывающие фрезы (СМПФ), несмотря на свои незначительные размеры, представляют собой сложную технологическую машину, работающую в условиях непрерывно изменяющихся внешних воздействий, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами, такими как режим нагружения, состояние обрабатываемого продукта, погодноклиматические условия и др.

Многочисленные исследования по динамике работы таких машин показывают отрицательное влияние крутильных колебаний фрезы на энергетические, эксплуатационно-технологические и агротехнические показатели работы почвообрабатывающего агрегата, а также на показатели надежности элементов его привода. В связи с этим на стадии разработки машины, а также при ее эксплуатации необходимо решать вопросы снижения всех типов динамических нагрузок [3].

В настоящее время для снижения динамических нагрузок в приводе почвообрабатывающих фрез и повышения их функционирования применяются несколько способов. Опираясь на анализ исследований ротационных почвообрабатывающих машин, а также на особенности конструкций почвообрабатывающих фрез и на богатый опыт их эксплуатации в различных условиях, можно выделить две группы таких способов: технологические и конструкторские (рис. 1) [1].

Согласно рис. 1, первая группа способов основывается на выборе наиболее оптимальных режимов работы почво- обрабатывающих фрез путем изменения поступательной или угловой скорости движения фрезбарабана. Изменение поступательной скорости фрезы обеспечивается выбором необходимой передачи коробки скоростей энергетического средства, с которым она агрегатируется (для прицепных и навесных фрез), или коробкой скоростей СМПФ. Однако данный способ не нашел применения в СМПФ по причине отсутствия в их конструкции многоступенчатых коробок скоростей. Кроме того, в большинстве случаев СМПФ с целью упрощения конструкции и снижения их стоимости изготавливаются с одной или двумя передачами.

Серия «Естественные и технические науки»

Р и с . 1 . Способы снижения динамических нагрузок в приводе и повышения функционирования почвообрабатывающих фрез

Для устранения этого недостатка нами была предложена конструкция СМПФ с бесступенчатым регулированием поступательной скорости машины и подачи на нож (рис. 2) [5]. Регулирование поступательной скорости в данной конструкции осуществляется клиноременным вариатором.

Проведенные полевые испытания опытных образцов таких СМПФ в условиях открытого и закрытого грунтов подтвердили результаты лабораторных исследований и показали, что их производительность возросла в 2,5 раза (с 0,085 до 0,215 га/ч) при использовании машины в условиях открытого грунта и в 2,2 раза (с 0,085 до 0,19 га/ч)

в условиях закрытого грунта. При этом удельная энергоемкость с увеличением подачи с 0,03 до 0,074 м снизилась на 27 % (с 14,15 х 10^-3 до 10,27 х 10 — ³ кВт х ч/м³), а в условиях закрытого грунта с увеличением подачи с 0,03 до 0,065 м – на 28 % (с 4,21 х 10^-3 до 3,04 х 10^-3 кВт х ч/м³). Однако применение в данной конструкции базовых рабочих органов не позволяет в полной мере реализовать заложенный в этой конструкции СМПФ потенциал.

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

1 – электрический двигатель; 2 – редуктор привода ходовой части; 3 – ходовые колеса; 4 – привод рабочих органов; 5 – фрезерные рабочие органы; 6 и 7 – ведущий и ведомый шкивы клиноременного вариатора; 8 – клиновой ремень; 9 – пружина ведомого шкива; 10 – звездочка; 11 – червяк; 12 – полый вал; 13 – центральный вал; 14 – маховичок регулирования клиноременным вариатором.

Р и с . 2 . Кинематическая схема опытного образца СМПФ

Наряду с вышеперечисленными способами возможен также способ обработки почвы в два следа на различных глубинах обработки. Однако этот способ требует увеличения энергозатрат на обработку почвы, поэтому используется только для обработки тяжелых почв.

Вторая группа способов основывается на выборе наиболее рациональной конструкции фрезерных барабанов и сочетании их работы с пассивными рабочими органами. Рациональная конструкция фрезбарабанов определяется использова-

Выбор подачи за счет регулирования угловой скорости вращения фрезба-рабана обеспечивается путем установки сменных блоков рабочих элементов передач или выбором необходимой передачи коробки скоростей привода в конструкциях самих фрез. Данный способ регулирования используется только в отдельных случаях по причине усложнения конструкции СМПФ и повышения их стоимости.

нием наиболее оптимальной конструкции рабочих органов (ножей) и их взаимном размещении. В настоящее время в конструкциях фрезбарабанов почвообрабатывающих фрез применяется большое количество разновидностей ножей, среди которых наибольшее применение находят Г-образные ножи. При этом наиболее оптимальным является расположение ножей по замкнутой спирали на фрезба-рабанах широкозахватных фрез, а в случае с СМПФ – по встречным спиралям с симметричным расположением.

Одним из эффективных способов снижения динамических нагрузок в СМПФ является обеспечение постоянства угла резания [7]. Исследования Г. Ф. Попова показывают, что в процессе отрезания стружки обычным фрезерным барабаном значительно возрастает мощность, затрачиваемая на фрезерование, по сравнению с мощностью модернизированного инструмента, ножи которого имеют постоянный угол резания [7]. Во время работы такого барабана (рис. 3а) нож в процессе резания проходит по траектории трохоиды, описываемой каждым ножом, с минимальным углом отклонения от нее. При этом наблюдается минимальное сопротивление почвы о нож. Движение ножа в обычном барабане (рис. 3б) происходит с изменением угла резания, что приводит к дополнительному сопротивлению резания. При этом происходит дополнительное смятие почвы и перемещение ее в свободную борозду, что отрицательно влияет на энергетические затраты.

Р и с . 3 . Траектория движения ножа

Серия «Естественные и технические науки»

Для обеспечения постоянного угла ре- орган (рис. 4), обеспечивающий постоянст-зания Г. Ф. Поповым предлагается рабочий во угла резания при отрезании стружки.

Р и с . 4 . Рабочий орган с постоянным углом резания Г. Ф. Попова

Практическое применение данного рабочего органа позволило бы снизить энергоемкость фрезерования на 30 % при сохранении заданных агротехнических требований. Однако конструкция таких фрезерных барабанов оказалась значительно сложнее обычных, кроме того, она позволяет обеспечить только один режим работы, обусловленный конкретными почвенными условиями, что является значительным сдерживающим фактором их практического использования.

В связи с этим решение задачи регулирования угла резания путем разработки многорежимных рабочих органов с постоянным углом резания при условии их адаптивности к различным почвенным условиям является весьма актуальным. Ввиду этого нами были предложены конструкции адаптивных энер-гоффективных рабочих органов с постоянным углом резания (рис. 5 а, б, в) [6].

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

а

в

Р и с . 5 . Конструкции адаптивных энергоффективных рабочих органов

Кроме этого особый интерес представляют рабочие органы, в конструк-

Рис. 6. Схема планетарного рабочего органа

Предложенная нами почвообрабатывающая фреза с изменяющимся углом атаки ножа разработана на основе синтеза планетарного рабочего органа при помощи адаптированной методики идентификации плоских рычажных механизмов любой сложности с зубчатыми (Л. Т. Дворникова, А. Э. Садиева) [8-9] и трансформированной впоследствии В. В. Дмитриевым [9] в метод конвертации. В этой фрезе при прохождении ножа в почвенном слое по траектории-трохоиде изменяется угол резания. Этот эффект достигается при помощи установки на фрезу нескольких фрезбарабанов. При вращении вокруг основного вала фрезбарабан при помощи зубчатых колес, образующих планетарную передачу, приводится во враще- ции которых применяется планетарный механизм (рис. 6) [6].

Серия «Естественные и технические науки»

ние. Таким образом, при прохождении в почве нож вращается вокруг основной оси и оси фрезбарабана. Подбирая диаметры зубчатых колес и угловой скорости фрезбарабана в зависимости от поступательной скорости фрезы, можно добиться движения ножа по трохоиде с оптимальным углом установки ножа в определенном местоположении. При прохождении ножа в почве с оптимальным углом резания устраняются трение ножа о почву и ее повышенное смятие, сопровождающие фрезерование почвы с жестко установленным ножом.

Другим не менее эффективным способом снижения динамических нагрузок в приводе и повышения эффективности использования почвообрабатывающих фрез является комбинация работы фрезбарабанов с пассивными рабочими органами, выполняющими функцию предварительного рыхления почвы. Данный способ широко применяется в конструкциях широкозахватных фрез, агрегатируемых с трактором. Применение данного способа в СМПФ не получило распространения, видимо, по причине сложности обеспечения курсовой устойчивости машины.

Повышения функционирования почвообрабатывающих фрез можно также добиться увеличением ширины захвата фрезбарабанов, установив на них дополнительные секции с ножами. Данный способ, как показывает анализ, получил широкое применение в конструкциях СМПФ. Однако при этом необходимо отметить, что снижение динамических нагрузок в приводе остается под вопросом по причине необоснованного подхода к расположению ножей на фрезбарабане.

Снижение динамических нагрузок в приводе, повышение курсовой устойчивости и функционирования почвообрабатывающих фрез можно обеспечить использованием маховичного аккумулятора кинетической энергии (МАКЭ) [4]. Теоретический анализ влияния МАКЭ на функционирование почвообрабатывающих машин, на возникающие при его разрядке реактивный и гироскопический моменты, а также эффект сглаживания пиковых нагрузок в элементах привода приводят к повышению курсовой устойчивости фрезы и к равномерной загрузке двигателя [9]. Однако наличие серьезных недостатков, связанных с отсутствием доступных, недорогих материалов, применяемых при изготовлении маховика, высокоэффективных подшипниковых опор и повышающих передач с достаточно жесткой обратной связью, не нашли практического применения в конструкциях фрез.

Таким образом, одним из перспективных путей повышения функционирования СМПФ за счет роста производительности и снижения энергоемкости фрезерования является комбинация почвообрабатывающих фрез с бесступенчатым регулированием поступательной скорости и применение адаптивных энергоэффективных рабочих органов с постоянным углом резания. Для подтверждения этих выводов необходимы реальные конструкции новых машин и их апробация в условиях АПК.