Повышение эффективности функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы оптимизацией конструктивно-технологических параметров (на примере фрезы фс-0,85)
| Вид материала | Документы |
- Фрезы прорезные и отрезные, 13.67kb.
- Программа подготовки: Оптимизация структур, параметров и режимов систем электроснабжения, 149.78kb.
- Программа подготовки: Оптимизация структур, параметров и режимов систем электроснабжения, 173.18kb.
- Программа подготовки: Оптимизация структур, параметров и режимов систем электроснабжения, 145.75kb.
- Магистерская программа: Оптимизация структур, параметров и режимов систем электроснабжения, 134.24kb.
- Программа подготовки: Оптимизация структур, параметров и режимов систем электроснабжения, 109.45kb.
- Программа подготовки: Оптимизация структур, параметров и режимов систем электроснабжения, 146.95kb.
- Неподвижные соединения, часто подвергаемые разборке и регулированию, допускающие проворачивание, 38.01kb.
- Повышение эффективности функционирования свеклосахарного подкомплекса с учетом совершенствования, 276.12kb.
- Повышение конструктивно технологических свойств турбовентиляторных авиационных двигателей, 177.79kb.
На правах рукописи
КУПРЯШКИН Владимир Федорович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
САМОХОДНОЙ МАЛОГАБАРИТНОЙ
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ФРЕЗЫ ОПТИМИЗАЦИЕЙ
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
(на примере фрезы ФС-0,85)
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саранск 2011
Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин Института механики и энергетики ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
-
Научный руководитель:
доктор технических наук профессор Чаткин Михаил Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук профессор
Акимов Александр Петрович
кандидат технических наук доцент
Мачнев Алексей Валентинович
Ведущая организация:
ГНУ Мордовский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии
Защита состоится 12 мая 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» и на сайте www.mrsu.ru
Автореферат разослан «___» апреля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
д
октор технических наук профессор В. А. КомаровОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время для обработки почвы в условиях как защищенного, так и открытого грунта широко используются самоходные малогабаритные почвообрабатывающие машины, в частности фрезы (СМПФ), что обеспечивает высокое качество работы по таким технологическим показателям, как измельчение и заделка растительных остатков, рыхление (крошение), выравнивание поверхности почвы, перемешивание ее с минеральными удобрениями. Однако возникающие при этом значительные затраты мощности на фрезерование и большие динамические нагрузки на рабочие органы отрицательно сказываются на производительности и условиях работы оператора, что является основным сдерживающим фактором более эффективного их применения. Кроме того, производители СМПФ часто с целью снижения стоимости упрощают их конструкцию, например, исключая из нее многоступенчатые коробки скоростей. Это не позволяет обеспечивать требуемый скоростной режим обработки почвы, что также отрицательно сказывается на эффективности функционирования СМПФ в различных условиях.
В связи с обозначенными проблемами исследования, направленные на решение задачи повышения эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с обоснованием основных конструктивно-технологических параметров, являются весьма актуальными.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Института механики и энергетики ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», отвечающей приоритетным научным работам университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).
Цель работы – повышение эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез оптимизацией конструктивно-технологических параметров по критериям курсовой устойчивости и качеству выполнения работ.
Объект исследования – самоходная малогабаритная почвообрабатывающая фреза с прямым вращением и Г-образными рабочими органами.
Предмет исследования – взаимосвязь технологических параметров и параметров курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с учетом особенностей обрабатываемой среды.
Методика исследований. Общая методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок по изысканию способов повышения эффективности функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез и обоснованию режимов их работы в конкретных почвенных условиях, их экспериментальную проверку в лабораторных и полевых условиях и экономическую оценку результатов исследований.
Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений и законов механики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, методов теории планирования эксперимента, оптимизации, статистики и др.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых и частных методик, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием методов математической статистики на ЭВМ.
На защиту выносятся:
– результаты теоретических исследований по обоснованию способа повышения функционирования самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез;
– условия, определяющие курсовую устойчивость самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с прямым вращением Г-образных рабочих органов в продольно-вертикальной плоскости;
– аналитические зависимости для определения оптимального значения подачи на нож с учетом обеспечения условий курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы;
– результаты лабораторных исследований взаимодействия Г-образных фрезерных рабочих органов с почвой в зависимости от ее твердости и подачи на нож, а также полевых испытаний самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения в сравнении с базовой конструкцией фрезы ФС-0,85;
– конструкция самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения, обеспечивающая повышение функционирования за счет выбора оптимального режима работы в зависимости от конкретных почвенных условий (патент РФ на изобретение № 2353080 «Почвообрабатывающая фреза»);
– результаты технико-экономической оценки функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения.
Научная новизна работы:
– разработаны условия отсутствия буксования, самопроизвольного перекатывания и качания относительно оси ходовых колес СМПФ с учетом основных силовых факторов взаимодействия фрезбарабанов с почвой, режимов работы с весовыми характеристиками и конструктивными параметрами СМПФ, позволяющими оценить курсовую устойчивость машины в продольно-вертикальной плоскости;
– получены расчетные зависимости мощности и удельной энергоемкости функционирования СМПФ от основных силовых факторов взаимодействия фрезбарабанов с почвой, режимов работы с ее весовыми характеристиками и конструктивными параметрами;
– получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость силовых характеристик взаимодействия фрезерных рабочих органов с обрабатываемой средой от твердости почвы и подачи на нож;
– получены оптимальные значения допустимых подач на нож по критерию минимальной энергоемкости процесса обработки почвы фрезерными рабочими органами.
Практическую значимость представляют:
– условия курсовой устойчивости СМПФ, заключающиеся в отсутствии возникновения буксования ходовых колес, самопроизвольного перекатывания машины под действием подталкивающей силы в процессе взаимодействия фрезерных рабочих органов с почвой и отсутствия качания машины относительно оси ходовых колес в продольно-вертикальной плоскости;
– методика определения предельно допустимых значений подачи на нож с учетом обеспечения условий курсовой устойчивости СМПФ в продольно-вертикальной плоскости в зависимости от режима работы, массовых и геометрических характеристик и свойств обрабатываемой почвы;
– новые конструкции самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с возможностью бесступенчатого регулирования поступательной скорости (патенты РФ на изобретения № 2353080 и № 2340134 и решение о выдаче патента на изобретение РФ «Почвообрабатывающая фреза» от 09.12.2010 г.);
– модернизированный испытательный стенд с экспериментальной тележкой для исследования рабочих органов СМПФ с устройствами бесступенчатого регулирования кинематических характеристик и стабилизации глубины обработки (патенты РФ на полезные модели № 88896 и № 96720 «Экспериментальная тележка для испытательного стенда»), а также устойчивости хода (рационализаторское предложение ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» № 1092);
– разработанный автоматизированный измерительный комплекс (АИК) с программным блоком (ПБ) Stand-Fräser на базе программной среды LabVIEW 7.0 фирмы National Instruments (США).
Реализация результатов исследований.
Результаты научных исследований используются на ОАО «МордовАгроМаш» при проектировании экспериментальной партии самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с бесступенчатым регулированием поступательной скорости и в ГУП РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий».
Результаты модернизации испытательного стенда с экспериментальной тележкой и разработанным АИК с ПБ Stand-Fräser на базе программной среды LabVIEW 7.0 внедрены в учебном процессе ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».
Опытный образец самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения, выполненный на базе фрезы ФС-0,85, прошел производственную апробацию и внедрен в ГУП РМ «Луховское» и ГУП РМ «Тепличное» Октябрьского муниципального района городского округа Саранск.
Апробация. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: наука, техника, образование» (г. Саранск, 2007 г.); республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (г. Саранск, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2010 г.); XXXVIII Огаревских чтениях ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2010 г.); на расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 53 печатных работах (основных 18), из них 3 – в изданиях по перечню ВАК РФ, 1 – в изданиях по перечню НАК Кыргызской Республики; получены 2 патента на изобретения «Почвообрабатывающая фреза» и «Почвообрабатывающая электрофреза» и одно положительное решение о выдаче патента «Почвообрабатывающая фреза», 2 патента на полезные модели «Экспериментальная тележка для испытательного стенда».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включает 58 рисунков, 10 таблиц, 138 источников литературы и приложения.
Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель, обозначен объект исследований, охарактеризована научная новизна и кратко изложена общая концепция работы.
В первой главе «Состояние проблемы и основные задачи исследования» осуществлен анализ состояния вопроса и определены задачи исследования.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями машин с активными ротационными рабочими органами (фрез, рыхлителей, плугов, бороздо-гребнеобразователей) занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А. П. Акимов, В. И. Андреев, Н. Б. Бок, П. М. Василенко, А. И. Веденеев, И. М. Гринчук, И. И. Гуреев, А. Д. Далин, Б. Д. Докин, В. Д. Донцов, Д. Н. Ефимов, Я. М. Жук, Н. В. Зволинский, Л. С. Зенин, Ю. Ф. Казаков, Ф. М. Канарев, А. И. Лещанкин, А. Д. Лукьянов, Ф. С. Любимов, О. С. Марченко, Ю. И. Матяшин, В. И. Медведев, П. А. Некрасов, П. В. Павлов, И. М. Панов, Г. Ф. Попов, Г. Н. Синеоков, З. А. Тарасюк, М. Н. Чаткин, Е. П. Яцук, Г. Бернацки, В. Зёне и др. Ими получены достаточно полные данные в следующих направлениях: 1) сравнительные исследования фрезы с плугами и культиваторами с целью установления преимуществ и недостатков; 2) выявление эффективности применения фрез в зависимости от типа и фона почвы; 3) определение энергоемкости; 4) изыскание наилучших режимов обработки; 5) установление оптимальных параметров рабочих органов по энергоемкости и качеству обработки. Однако практически отсутствуют исследования, посвященные изучению самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез, а именно влиянию работы фрезерных рабочих органов на устойчивость машины и выбору оптимальных режимов процесса обработки почвы с учетом особенностей их конструкции и свойств обрабатываемой среды.
Анализ конструкций современных СМПФ показал, что они не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым к выбору оптимальных технологических режимов работы, что ограничивает эффективность их функционирования и приводит к снижению производительности, качества обработки почвы и повышению энергоемкости.
На основании вышеизложенного и анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований ротационных почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами нами была высказана гипотеза о необходимости изыскания конструктивного решения повышения эффективности функционирования СМПФ в различных условиях их работы, определяемых свойствами обрабатываемой среды.
Для достижения поставленной в работе цели решаются следующие задачи.
1. На основе анализа известных работ выполнить теоретические исследования курсовой устойчивости СМПФ, установить условия ее обеспечения и вывести зависимости для энергетической оценки их функционирования с учетом конструктивных особенностей машин и требований агротехники.
2. Разработать частные методики и испытательный стенд с АИК для исследования взаимодействия фрезерных рабочих органов СМПФ с почвой на различных технологических и кинематических режимах функционирования.
3. Экспериментально исследовать характер и установить зависимости силовых факторов, действующих на фрезерные рабочие органы СМПФ с учетом конструктивных параметров, технологических режимов работы и свойств обрабатываемой среды.
4. На основании теоретических и лабораторных исследований установить оптимальные технологические режимы функционирования СМПФ в конкретных почвенных условиях.
5. Разработать опытный образец СМПФ, рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов ее функционирования и провести полевые испытания в различных почвенных условиях.
6. Определить технико-экономические показатели работы опытного образца СМПФ в условиях открытого и закрытого грунта и внедрить разработки в производство.
Во второй главе «Теоретическое обоснование курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы» установлено, что при выполнении технологического процесса обработки почвы СМПФ может совершать шесть видов вынужденных движений в системе координат с осями Ох, Оy и Оz (рис. 1). При этом, как показали наши исследования, основным объектом возмущений являются ее рабочие органы (ножи), взаимодействующие с почвой. Учитывая особенности расположения ножей на фрезбарабанах мы выявили, что наиболее опасными являются возможные перемещения машины в продольно-вертикальной плоскости, а именно подталкивание под действием силы Fx при прямом вращении фрезбарабана, ее качание относительно оси ходовых колес под действием выталкивающей силы Fz, а также колебания крутящего момента Мy (Мкр) (рис. 2). Указанные факторы отрицательно сказываются на курсовой устойчивости СМПФ, что ограничивает ее функциональные возможности (снижение производительности и качества обработки почвы, нер
авномерность загрузки двигателя и повышение утомляемости оператора).Установлено, что для стабилизации работы СМПФ в продольно-вертикальной плоскости под действием сил взаимодействия фрезерных рабочих органов с почвой и весовых характеристик самой машины, а также сил сцепления ходовых колес с почвой необходимо выполнение следующих условий: отсутствие буксования ходовых колес, отсутствие самопроизвольного перекатывания под действием подталкивающей силы Fx и качания относительно оси ходовых колес, что в целом определяют курсовую устойчивость СМПФ.
На основании сил, действующих на СМПФ (рис. 3) при прямолинейном равномерном движении, получены следующие условия:
– отсутствия буксования ходовых колес:
; (1)– отсутствия самопроизвольного перекатывания:
, (2)где
– подталкивающая сила на фрезбарабане, Н; 
– сила тяги на ходовых колесах, Н; 
– сила трения опорного якоря (полозка) с почвой, Н; 
– сила сопротивления перекатыванию ходовых колес, Н.  |
| Рисунок 3 – Силы, действующие на СМПФ в продольно-вертикальной плоскости |
Решение полученных неравенств относительно их силовых составляющих, с учетом конструктивных особенностей СМПФ и режимов ее работы с необходимыми преобразованиями позволило привести их к следующему виду:
– отсутствие буксования ходовых колес:
; (3)– отсутствие самопроизвольного перекатывания:
, (4)где Fg – сила тяжести СМПФ, Н; kс – коэффициент сцепления ходовых колес с почвой; K1 – коэффициент, учитывающий взаимосвязь конструктивных и режимных параметров СМПФ; f – коэффициент трения опорного якоря или полозка о почву; q – объемный коэффициент смятия почвы, Н/м3;
– диаметр ходовых колес, м; bк – ширина обода колеса, контактирующего с почвой, м.Значение коэффициента K1 определяется зависимостью
, (5)где l1 – расстояние от центра тяжести СМПФ до оси ходовых колес, м; lп – расстояние между осями ходовых колес и фрезбарабанов, м; Dф – диаметр ходовых фрезбарабанов, м; h – глубина обработки почвы, м.
Анализ качания СМПФ относительно оси ходовых колес (рис. 4) с учетом агротехнических требований по отклонению от заданной глубины обработки, которая не должна превышать 0,02 м, позволил составить следующее условие курсовой устойчивости:
(6)где δ – угол наклона осевой линии АО рамы (редуктора) к вертикальной оси, град; δ0 – предельно допустимый угол отклонения осевой линии АО рамы (редуктора) от вертикальной оси при заданных агротехнических требованиях, град.
 |
| Рисунок 4 – Силы, действующие на СМПФ в продольно-вертикальной плоскости при ее качании относительно оси ходовых колес |
Условие (6) требует решения по определению угла δ0. Воспользовавшись уравнением Лагранжа II рода, получим при условии
и 
следующую зависимость кинетической энергии СМПФ:
(7)где mф – масса фрезы, кг; vп – поступательная скорость движения центра тяжести фрезбарабанов, м/с; J0 – момент инерции фрезбарабанов относительно оси ходовых колес, м4; Jф – момент инерции фрезбарабана относительно его оси вращения, м4;
– угловая скорость вращения фрезбарабана, рад/с (
).Решение уравнения (7) с учетом сил, действующих на СМПФ, и кинематики качания фрезы относительно оси ходовых колес при условии гарантированного его отсутствия (δ0 = 0) позволило получить следующее условие курсовой устойчивости:
, (8)где Fр – максимально допустимое усилие рабочего на органах управления СМПФ, Н; lр– расстояние от оси ходовых колес до линии действия силы Fр, м; K2 – коэффициент, учитывающий взаимосвязь конструктивных и режимных параметров СМПФ.
Коэффициент K2 в этом случае определяется зависимостью
. (9) Полученные условия (3), (4) и (8) связывают между собой основные силовые факторы взаимодействия фрезбарабанов с почвой, режимы работы с массовыми характеристиками, конструктивными параметрами СМПФ и особенностями ее эксплуатации оператором и позволяют оценить ее курсовую устойчивость.
Для оценки энергоемкости фрезерования воспользуемся известной зависимостью
(10)где Eуд – удельная энергоемкость, кВт·ч/м3; P – мощность, затрачиваемая на обработку почвы, кВт; WV – объемная производительность, м3/ч.
При работе СМПФ значение мощности P определяется в общем виде также известной зависимостью
, (11)где Pф – мощность, затрачиваемая на фрезерование почвы, кВт; Pт – тяговая мощность на ходовых колесах, кВт; Pтр – мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления в механизмах привода фрезбарабанов и ходовых колес, кВт.
С учетом специфики конструкции и особенностей работы СМПФ (машина имеет прямое вращение фрезбарабана и перемещается по ровной поверхности поля), а также действующих сил (см. рис. 3) была установлена следующая зависимость для мощности P:
. (12)где ηо – общий КПД привода; Mкр – крутящий момент на валу фрезбарабанов, Н·м; nф – частота вращения фрезбарабанов, мин–1.
С учетом того что
(здесь B – ширина захвата машины, м) и формулы (12) выражение (10) примет вид:
. (13)Полученные уравнения отражают зависимость общей мощности, потребляемой СМПФ, и удельной энергоемкости при выполнении технологической операции по обработке почвы с учетом технологических параметров, свойств почвы и конструктивных особенностей машины.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа, методика и условия проведения экспериментальных исследований с описанием оборудования, применяемого в лабораторных исследованиях и полевых испытаниях, дано описание объектов исследований и экспериментальных установок.
Программа экспериментальных исследований предусматривает выполнение следующих этапов: 1) проведение лабораторных исследований с целью определения влияния и получения функций откликов силовых характеристик, а именно подталкивающей Fx и выталкивающей Fz сил, крутящего момента Мкр, в зависимости от варьируемых факторов подачи на один нож S (м) и твердости почвы р (МПа) на устойчивость в вертикальной плоскости с использованием униформ-ротатабельного планирования многофакторного эксперимента; 2) проведение в производственных условиях сравнительных испытаний базовой (ФС-0,85) и опытной (ФС-0,85М) конструкций СМПФ.
При проведении лабораторно-полевых исследований руководствовались ГОСТ 20915 – 75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний», СТО АИСТ 4.2 – 2004 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей», ГОСТ 26244 – 84 «Обработка почвы предпосевная. Требования к качеству и методы определения».
Обработку экспериментальных данных осуществляли на ПК с помощью пакетов прикладных программ LabVIEW 7.0, Pareto и Excel 2003.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены основные результаты лабораторных исследований и полевых испытаний, дан их анализ.
В результате многофакторного эксперимента были получены следующие регрессионные уравнения подталкивающей силы Fx, выталкивающей силы Fz и крутящего момента Мкр, приведенных к валу фрезбарабана, в зависимости от твердости почвы X1 (p) и подачи на нож X2 (S) при фиксированных значениях глубины обработки h, ширины захвата B, частоты вращения nф фрезерных рабочих органов и влажности почвы W:
– в кодированном виде:
Fx = 163,619X0+83,868X1+71,051X2+37,44X1X2; (14)
Fz = 347,42X0+169,218X1+138,238X2+73,81X1X2 –10,625X11; (15)
Мкр = 77,694X0+27,707X1+31,323X2+16,785X1X2 – 13,267X11+4,671X22. (16)
– в натуральном виде:
Fx = 4,5 – 7p –3S + 2496pS; (17)
Fz = 23,2 + 42,2p –66S + 49,21pS +42,5p2; (18)
Мкр = 4 + 78p – 746S + 1119pS – 53p2 + 5189S2, (19)
где Fx и Fz – подталкивающая и выталкивающая силы, приведенные к валу фрезбарабанов, Н; Мкр – крутящий момент на валу фрезбарабанов, Н·м; p – твердость почвы, МПа; S – подача на нож, м.
Полученные модели удовлетворяет всем критериям и могут быть использованы при решении задач, связанных с обработкой почвы Г-образными рабочими органами.
С учетом регрессионных зависимостей (17), (18) и (19), особенностей конструкции СМПФ ФС-0,85 (l1 = 0,086 м; lп = 0,52 м; lр = 1,23 м, Dк = 0,5 м; Dф = 0,42 м, bк = 0,12 м, Fg = 1716Н и Fр = 120Н), режима работы (h = 0,12 м), коэффициентов f = 0,41, kс = 0,3, K1 = 0,174, K2 = – 0,31 и зависимости коэффициента объемного смятия
, полученной экспериментальным путем при определении твердости почвы, из ранее полученных условий курсовой устойчивости СМПФ (3), (4), (8) и уравнения (13) получили следующие выражения:– при отсутствии буксования ходовых колес СМПФ
(20)– при отсутствии самопроизвольного перекатывания СМПФ
(21)– при отсутствии качания СМПФ относительно оси ходовых колес
(22) – удельная энергоемкость фрезерования почвы
(23)После подстановки в уравнения (20), (21) и (22) значения твердости почвы p в интервале от 0,25 до 1,65 МПа получили графические зависимости возможных допустимых значений подач на нож для конкретных условий курсовой устойчивости СМПФ ФС-0,85 в продольно-вертикальной плоскости (рис. 5).
Из анализа полученных зависимостей следует, что в целом курсовая устойчивость обеспечивается зависимостью (2), характеризующей отсутствие самопроизвольного перекатывания СМПФ.
С учетом наложенных функциональных ограничений по подаче на нож, а именно Smin = 0,03 м и Smax = 0,11 м, получена область ABCDE, включающая значения возможных допустимых подач на нож при твердости почвы в интервале от 0,25 до 1,65 МПа, при которых будет гарантированно выполняться
 |
Далее полученная область допустимых подач подверглась оптимизационным расчетам с целью выявления оптимальных режимов работы СМПФ при наименьшей удельной энергоемкости процесса фрезерования почвы. На основании полученных результатов получена графическая зависимость АВС допустимых значений подачи на нож S от твердости почвы p с обеспечением условия отсутствия самопроизвольного перекатывания СМПФ и в целом ее курсовой устойчивости в продольно-вертикальной плоскости (рис. 6). Из анализа графической зависимости АВС следует, что эксплуатация СМПФ должна происходить с подачами от 0,065 до 0,087 м на участке твердости почвы p от 0,25 до 0,7 МПа и с подачами от 0,087 до 0,035 м на участке твердости почвы p от 0,7 до 1,65 МПа.
Кроме этого, на основе результатов оптимизации получено, что на участке твердости почвы от 0,25 до 0,7 МПа производительность СМПФ увеличивается в 1,34 раза – с 0,189 до 0,254 га/ч, а затем на участке с твердостью от 0,7 до 1,65 МПа она уменьшается в 2,5 раза – с 0,254 до 0,102 га/ч. При этом полученные значения часовой производительности на участке твердости почвы от 0,25 до 1,65 МПа превышают значения производительности СМПФ ФС-0,85: в 2,2 раза – при p = 0,25 МПа; в 2,9 раза – при p = 0,7 МПа; в 1,2 раза – при p =1,65 МПа.
Для реализации результатов, полученных в ходе лабораторных исследований с целью повышения эффективности функционирования СМПФ, были предложены варианты конструкций машин (патенты РФ на изобретения № 2340134 «Почвообрабатывающая фреза», № 2353080 «Почвообрабатывающая фреза» и решение о выдаче патента РФ на изобретение «Почвообрабатывающая фреза» от 09.12.2010 г.), позволяющих обеспечивать бесступенчатое регулирование технологических параметров, а именно подачи на нож S, за счет поступательной скорости движения. Наиболее приемлемой является конструкция СМПФ с клиноременным вариатором привода ходовых колес, отличающаяся относительной простотой и универсальностью с возможностью использования в приводах как ДВС, так и электрического двигателя.
На рис. 7 изображена кинематическая схема, а на рис. 8 показан общий вид опытного образца СМПФ, выполненной на базе электрической фрезы ФС-0,85 с реализацией в ее конструкции патента РФ на изобретение № 2353080 «Почвообрабатывающая фреза», позволяющего обеспечивать бесступенчатое регулирование скорости и подачи на нож за счет использования в приводе ходовых колес клиноременного вариатора.
| |  | ||
|---|---|---|---|
| | Рисунок 7 – Кинематическая схема опытного образца СМПФ ФС-0,85: 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 управления клиноременным вариатором | ||
| | | ||
| | | ||
 |
| Рисунок 8 – Общий вид опытного образца СМПФ с бесступенчатой регулировкой скорости движения |
 |
| Рисунок 9 – Номограмма выбора технологических и кинематических параметров функционирования опытного образца СМПФ |
ГУП РМ «Тепличное» Октябрьского муниципального района городского округа Саранск. Проведение полевых испытаний осуществлялось на различных подачах, минимальные значения которых определялись подачей на нож 0,03 м, характерной для базовой конструкции СМПФ ФС-0,85, а максимальные значения ограничивались конкретными режимами работы опытного образца СМПФ, определяемыми в свою очередь твердостью почвы. В последующем осуществляется выбор конкретных значений S по номограмме (см. рис. 9). Таким образом, при проведении полевых испытаний в условиях открытого грунта при определенной экспериментальным путем твердости почвы p = 0,8 МПа максимальное значение подачи составило 0,074 м, а в условиях закрытого грунта при p = 0,25 МПа – 0,065 м.
В результате проведенных полевых испытаний установлено, что производительность СМПФ выросла 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 14,15·10–3 до 10,27·10–3 кВт·ч/м3), а в условиях закрытого грунта с увеличением подачи с 0,03 до 0,065 м – на 28 % (с 4,21·10–3 до 3,04·10–3 кВт·ч/м3) (рис. 10).
Р
езультаты изучения качества обработки почвы, агротехническая оценка которой проводилась для условий открытого грунта, показали, что почва состоит в основном из агрономически ценных фракций размером от 1 до 10 мм, объем которых составил 67,7 % при подаче на нож 0,075 м, что больше минимального допустимого объема на 17,7 %. Кроме того, коэффициент крошения почвы характеризующий наличие в ней фракций размером до 50 мм, на всех режимах работы подачи с 0,03 до 0,074 м составил 100 %, а коэффициент распыления, характеризующий наличие эрозионно-опасных частиц почвы размером до 1 мм, снизился с 6,1 до 4,6 %. Это свидетельствует о достаточно высоком качестве обработки почвы опытным образцом СМПФ.В пятой главе приводится технико-экономический расчет, показывающий, что за счет увеличения производительности машины, снижения трудоемкости механизированных работ и приведенных затрат на единицу выработки годовой экономический эффект от использования опытного образца самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с бесступенчатым регулированием скорости движения при обработке почвы составил 9 915,5 руб. в условиях открытого и 9 429,0 руб. – в условиях закрытого грунта. При этом срок окупаемости дополнительных капитальных вложений соответственно равен 0,42 и 0,45 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Теоретические исследования курсовой устойчивости СМПФ позволили получить условия ее обеспечения, заключающиеся в отсутствии буксования ходовых колес, самопроизвольного перекатывания машины и качания относительно оси ходовых колес в продольно-вертикальной плоскости.
Выведены уравнения расчета мощности и удельной энергоемкости в зависимости от силовых факторов взаимодействия фрезбарабанов с почвой, режимов работы, массовых характеристик, конструктивных параметров и особенностей эксплуатации.
2. Разработана методика многофакторного эксперимента – проведения лабораторных исследований взаимодействия фрезерных Г-образных рабочих органов СМПФ с почвой в зависимости от ее твердости, технологических (глубина обработки, подача на нож) и кинематических (скорость движения, частота вращения фрезбарабанов) параметров машины.
Модернизирован и адаптирован испытательный стенд с экспериментальной тележкой для исследования фрезерных рабочих органов СМПФ с реализацией в ее конструкции патентов РФ на полезные модели № 88896 и № 96720.
Разработан и внедрен автоматизированный измерительный комплекс с программным блоком Stand-Fräser на базе программной среды LabVIEW 7.0 фирмы National Instrument.
3. Проведены лабораторные исследования взаимодействия фрезерных рабочих органов СМПФ с почвой и получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимости подталкивающей Fx и выталкивающей Fz сил, крутящего момента Мкр приведенных к приводному валу фрезбарабанов, от твердости почвы p и подачи на нож S при глубине обработки 0,12 м.
4. Получены расчетные зависимости подачи на нож, использование которых с учетом результатов многокритериальной оптимизации удельной энергоемкости фрезерования почвы, позволило определить следующие оптимальные режимы эксплуатации машины, обеспечивающие условия ее курсовой устойчивости в продольно-вертикальной плоскости, соблюдение агротехнических требований к обработке почвы и условий безопасности эксплуатации:
– при твердости почвы от 0,25 до 0,7 МПа допускается работа с подачей от 0,065 до 0,087 м;
– при твердости почвы от 0,7 до 1,65 МПа – с подачей от 0,087 до 0,035 м.
5. На основании результатов лабораторных исследований с целью повышения эффективности функционирования СМПФ предложены конструкции машин, защищенные патентами РФ на изобретения № 2340134, № 2353080 и решением о выдаче патента РФ на изобретение «Почвообрабатывающая фреза» от 09.12.2010 г. обеспечивающие бесступенчатое регулирование технологических параметров, а именно подачи на нож S, за счет поступательной скорости движения.
На базе электрической фрезы ФС-0,85 разработан опытный образец СМПФ с реализацией в ее конструкции патента РФ на изобретение № 2353080, обеспечивающее бесступенчатое регулирование скорости ее движения и подачи на нож за счет использования в приводе ходовых колес клиноременного вариатора.
Для разработанного опытного образца СМПФ составлена номограмма выбора основных кинематических и технологических параметров ее работы в зависимости от твердости почвы.
Проведены полевые испытания опытного образца СМПФ в сравнении с базовой фрезой ФС-0,85 в условиях открытого и закрытого грунта. В результате получены следующие данные:
– производительность выросла 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;
– удельная энергоемкость фрезерования почвы уменьшилась в условиях закрытого грунта на 27 % и открытого – на 28 %.
6. За счет повышения производительности, снижения трудоемкости и себестоимости механизированных работ на единицу выработки годовой экономический эффект от использования опытного образца СМПФ при обработке почвы в условиях открытого грунта составил 9 915,5 руб. и закрытого – 9 429,0 руб.
Основные публикации по теме диссертации
Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ
1. Чаткин М. Н. Особенности динамического анализа работы почвообрабатывающих фрезерных агрегатов / М. Н. Чаткин, В. Ф. Купряшкин // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. – 2006. – № 12. – С. 9 –11.
2. Наумкин Н. И. Оптимальный режим фрезерования почвы / Н. И. Наумкин, В. Ф. Купряшкин, А. В. Безруков // Сел. механизатор. – 2010. – № 11. – С. 8 –10.
3. Наумкин Н. И. Синтез планетарных механизмов высокотехнологичных сельскохозяйственных машин методом их идентификации с рычажными / Н. И. Наумкин, В. Ф. Купряшкин, А. С. Князьков // Нива Поволжья. – 2010. – № 4. – С. 45 – 48.
Статьи в рецензируемых зарубежных журналах из списка НАК Кыргызской Республики
4. Купряшкин В. Ф. Влияние гироскопического эффекта маховика аккумулятора кинетической энергии на устойчивость самоходной почвообрабатывающей фрезы / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, А. В. Безруков // Наука. Образование. Техника. – 2009. – № 2 (2). – С. 92 – 95.
Статьи в других изданиях, включая труды международных и всероссийских научно-технических конференций
5. Купряшкин В. Ф. Регулирование скорости движения почвообрабатывающих фрез / В. Ф. Купряшкин, А. В. Безруков, Н. И. Наумкин // Машиностроение: наука, техника, образование : сб. науч. тр. VI Всерос. науч.-практ. конф. – Саранск, 2007. – С. 62 – 63.
6. Купряшкин В. Ф. Способы регулирования технологических режимов обработки почвы в самоходных почвообрабатывающих ротационных машинах / В. Ф. Купряшкин, А. В. Безруков, Н. И. Наумкин // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы VII респ. науч.-практ. конф. – Саранск, 2008. – С. 242 – 246.
7. Купряшкин В. Ф. Методика проведения стендовых испытаний самоходных почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами / В. Ф. Купряшкин, М. Н. Чаткин, Н. И. Наумкин [и др.] // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Всерос. науч.-техн. конф. – Саранск, 2009. – С. 385 – 389.
8. Купряшкин В. Ф. Обоснование факторного пространства исследования активных рабочих органов самоходных почвообрабатывающих фрез (на примере фрезы ФС-0,85) / В. Ф. Купряшкин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Всерос. науч.-техн. конф. – Саранск, 2009. – С. 391 – 394.
9. Купряшкин В. Ф. Оптимизация режимов работы фрезерных почвообрабатывающих агрегатов / В. Ф. Купряшкин, В. В. Кузнецов, А. В. Безруков [и др.] // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEV и технолгии National Instruments : сб. тр. VII Междунар. науч.-практ. конф. – М., 2009. – С. 124 – 126.
10. Купряшкин В. Ф. Способы повышения устойчивости протекания технологического процесса обработки почвы самоходными почвообрабатывающими фрезами / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, А. В. Безруков // Материалы и технологии XXI века : материалы VIII Междyнар. науч.-техн. конф. – Пенза, 2010. – С. 155 – 159.
11. Купряшкин В. Ф. Обобщенная классификация почвообрабатывающих фрез / В. Ф. Купряшкин, Е. В. Сурин, Н. И. Наумкин [и др.] // XXXVIII Огаревские чтения : материалы науч. конф. : в 3 ч. Ч. 3 : Технические науки. – Саранск, 2010. – С. 97 – 99.
12. Купряшкин В. Ф. Автоматизация регулирования режимов работы ротационных почвообрабатывающих машин на примере фрезы ФС-0,85 / В. Ф. Купряшкин, А. В. Безруков, Н. И. Наумкин, В. Н. Авдеев // XXXVIII Огаревские чтения : материалы науч. конф. : в 3 ч. Ч. 3 : Технические науки. – Саранск, 2010. – С. 100 – 102.
13. Купряшкин В. Ф. Анализ устойчивости хода экспериментальной тележки испытательного стенда для исследования почвообрабатывающих машин с фрезерными рабочими органами / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, М. Н. Чаткин [и др.] // Энегоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : межвуз. сб. науч. тр. – Саранск, 2010. – С. 372 – 378.
Авторские свидетельства на изобретения и полезные модели
14. Пат. 2340134 Российская Федерация, МПК А 01 В 33/02. Почвообрабатывающая электрофреза / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, А. В. Безруков ; патентообладатель ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». – № 2007117644/12 ; заявл. 11.05.2007 ; опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34. – 5 с. : ил.
15. Пат. 2353080 Российская Федерация, МПК А 01 В 33/04. Почвообрабатывающая фреза / А. В. Безруков, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, М. Н. Чаткин ; патентообладатель ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». – № 2007146044/12 ; заявл. 11.12.2007 ; опубл. 27.04.2009, Бюл. № 12. – 5 с. : ил.
16. Пат. 88896 Российская Федерация, МПК А 01 В 33/00. Экспериментальная тележка для испытательного стенда / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, М.Н. Чаткин [и др.] ; патентообладатель ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». – № 2009128508/22 ; заявл. 23.07.2009 ; опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33. – 2 с. : ил.
17. Пат. 96720 Российская Федерация, МПК А 01 В 33/00. Экспериментальная тележка для испытательного стенда / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, М.Н. Чаткин [и др.] ; патентообладатель ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». – № 2010113067/21 ; заявл. 05.04.2010 ; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23. – 1 с. : ил.
18. Решение о выдаче патента на изобретение от 09.12.2010 г. Российская Федерация, МПК А 01 В 39/06, 39/00. Почвообрабатывающая фреза / В. Ф. Купряшкин, А. В. Безруков, Н. И. Наумкин, М. Н. Чаткин ; патентообладатель ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». – № 2009118653/21 ; заявл. 18.05.2009. – 5 с. : ил.
Подписано в печать 06.04.11. Объем 1,0 п. л.
Тираж 100 экз. Заказ № 473.
Типография Издательства Мордовского университета
430005, Саранск, ул. Советская, 24.