Разработка и обоснование параметров копирующего устройства капустоуборочного комбайна
На правах рукописи
Григорьев Алексей Олегович
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
КОПИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
КАПУСТОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА
Специальность 05.20.01- Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары – 2009 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре физики и технической механики.
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Алатырев Сергей Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белов Валерий Васильевич доктор технических наук, профессор Максимов Павел Леонидович Ведущее предприятие: Всероссийский научно исследовательский институт овощеводства (ГНУ ВНИИО)
Защита состоится 11 декабря 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д220.070.01 при ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г.
Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА».
Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» http: //www.
academy21.ru в разделе «Новости» «_» 2009г.
Автореферат разослан «_» _2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук С.С. Алатырев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Среди овощных культур наиболее распространенной является белокочанная капуста. В нашей стране она занимает более 30 % площади, находящейся под овощами. В специализированных хозяйствах её выращивают на площадях 100-150 гектаров.
На выращивании и уборке одного гектара капусты затраты труда составляют в среднем 400–450 человеко-часов. Из них около 50 % затрат приходится только на уборку и погрузку капусты на транспортное средство. В этой связи в нашей стране и за рубежом (в США, Германии, Англии, Дании, Франции) обращают пристальное внимание на разработку уборочной техники.
Однако до настоящего времени не созданы серийные образцы капустоуборочных машин, эффективно выполняющих технологический процесс в реальных производственных условиях.
Надежность и качество выполнения рабочего процесса капустоуборочной машины в большей степени зависят от характера копирования рельефа почвы её режущим аппаратом. Поэтому к копирующим устройствам капустоуборочных машин предъявляют повышенные требования – они должны обеспечивать непрерывное копирование рельефа почвы режущим аппаратом при постоянном минимальном значении давления под опорными лыжами. Особенно высоки требования, предъявляемые к копирующим устройствам капустоуборочных комбайнов, призванных получать товарную продукцию в полевых условиях.
Известные капустоуборочные машины не обеспечены такими копирующими устройствами. Поэтому разработка эффективного копирующего устройства является актуальной научно - технической задачей.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Чувашской ГСХА в рамках отраслевой программы РАСХН «Разработать новое поколение экологически безопасных, ресурсосберегающих машинных технологий, создать комплекс конкурентоспособных технических средств и высокоэффективных агротехнических и биологических приемов для устойчивого производства овощной продукции в открытом грунте, адаптированных к основным природным зонам товарного производства овощей» на период до 2010 года (задание 03.01 и 03.02) и российско-белорусской программы «Повышение эффективности производства и переработки плодоовощной продукции на основе прогрессивных технологий и техники» (Постановление СМ союзного государства № 18 от 21.04.05г.).
Цель исследования. Разработка копирующего устройства, обеспечивающего качественное выполнение технологического процесса капустоуборочным комбайном.
Объект исследования. Копирующее устройство капустоуборочного комбайна.
Научная новизна. Разработана конструктивно – кинематическая схема копирующего устройства капустоуборочного комбайна, новизна которого подтверждена патентами РФ на изобретения № 2310315 и № 2365086. Получены аналитические зависимости (2), (15) между конструктивными параметрами копирующего устройства, позволяющие обеспечивать постоянство силы давления под опорными лыжами режущего аппарата, новизна первой из них подтверждена п. 2 патента РФ на изобретение № 2310315. Установлено и подтверждено экспериментально техническое условие (14) для выбора жесткости разгружающих пружин копирующего устройства. Установлены рациональные параметры копирующего устройства капустоуборочного комбайна.
Практическая значимость. Разработано копирующее устройство с рациональными параметрами, обеспечивающее качественное выполнение технологического процесса капустоуборочным комбайном.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований использованы при разработке опытного образца малогабаритного капустоуборочного комбайна, испытанного в производственных условиях в колхозе «Красный Фронтовик» Ибресинского района Чувашской Республики.
Опытный образец капустоуборочного комбайна с новым копирующим устройством используется в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» при изучении конструкций овощеуборочных машин. Результаты исследований и также техническая документация на новое копирующее устройство переданы ООО «Ибресинское ремонтно–техническое предприятие» для опытного производства малогабаритного капустоуборочного комбайна, а также крестьянскому фермерскому хозяйству «ИП Баймаковский» (Мордовия) для использования в производственных условиях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены: на Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Чебоксары: ЧГСХА, 2006 г.);
на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Чувашской государственной сельскохозяйственной академии (2006 г.);
на Всероссийской научно-практической конференции «Роль ученых в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (Чебоксары: ЧГСХА, 2007 г.);
на Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и наука ХХI века» (Чебоксары: ЧГСХА, 2008г.);
на Международной научно- практической конференции «Научное обеспечение отрасли овощеводства открытого и защищенного грунта»
(Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства, Московская обл., Верея, 2006г.);
на техническом совещании ООО «Ибресинское РТП»
(Чувашская Республика, пос. Ибреси, 2008 г.).
Защищаемые положения: конструктивно – кинематическая схема и методика обоснования параметров копирующего устройства капустоуборочного комбайна;
аналитические зависимости между конструктивными параметрами копирующего устройства, позволяющие обеспечить постоянство силы давления под опорными лыжами режущего аппарата, и техническое условие для выбора жесткости разгружающих пружин;
рациональные параметры копирующего устройства;
результаты производственных испытаний и технико-экономические показатели разработанного устройства.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в публикациях, в том числе в двух статьях в ведущих рецензируемых научно практических журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в двух патентах РФ на изобретения. Три статьи опубликованы без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, 21 приложения и списка литературы из наименований. Работа содержит 167 страниц, включает 127 страниц основного текста, 59 рисунков, 8 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, её научная новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе ВОПРОСА И ЗАДАЧИ «СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ» проведен анализ развития копирующих устройств, в результате установлено:
На уборочных машинах широко применяют механические 1.
копирующие устройства, отличающиеся достаточной надежностью в характерных условиях работы уборочных машин.
Существующие копирующие устройства большинства 2.
сельскохозяйственных машин практически не приемлемы в капустоуборочных машинах, работающих в наиболее худших условиях по сравнению с другими уборочными машинами. В этой связи для капустоуборочных машин необходимо разработать наиболее эффективное копирующее устройство.
Из рассмотренных устройств копирующее устройство с 3.
четырехзвенной подвеской представляет значительный интерес и может быть принято в качестве базового варианта.
Разработкой и совершенствованием копирующих устройств в капустоуборочных машинах занимались Тихонов Н.И., Белов В.В., Городков В.П., Романовский Н.В., Хвостов В.А., Алатырев С.С., Майковский И.А., Котов П.С., Попов В.С., Хороших Н.И. и другие ученые. Представляют интерес также работы профессоров Максимова П. Л. и Максимова Л. М., касающиеся вопросов копирования рельефа почвы в других овощеуборочных машинах.
На основании проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью обозначены следующие задачи исследования:
Разработать конструктивно-кинематическую схему копирующего 1.
устройства, обеспечивающего качественное выполнение технологического процесса капустоуборочным комбайном.
Получить аналитические зависимости между конструктивно 2.
техническими параметрами копирующего устройства, позволяющие выявить их влияние на процесс копирования.
Выявить рациональные параметры копирующего устройства на 3.
основе теоретических и экспериментальных исследований.
Провести производственные испытания копирующего устройства в 4.
составе капустоуборочного комбайна и определить экономическую эффективность его использования.
Во втором разделе «ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОПИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА КАПУСТОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА»
представлено обоснование конструктивно – кинематической схемы и параметров копирующего устройства капустоуборочного комбайна.
Копирующее устройство (рис. 1) содержит опорные лыжи 13, верхнее звено навески 3, выполненное в виде одновинтового талрепа с подпружиненным штоком 2, нижнее звено 11, соединенное с помощью стойки 12 на нем с блоком разгружающих пружин 5, другой конец которых кинематически связан посредством гибкого каната 6 через отклоняющий блок 7 с ободом диска 10. Диск 10 имеет жесткую связь с нижним звеном навески 11 и его стойкой 12, а также возможность поворачиваться вместе с ними вокруг общей оси 9 относительно рамы машины 8.
Рисунок 1 – Копирующее устройство капустоуборочной машины (патент РФ на изобретение №2310315): 1 – режущий аппарат, 2 – подпружиненный шток, 3 верхнее звено навески, 4 – винт, 5 – блок разгружающих пружин, 6 – канат, 7 отклоняющий блок, 8 - рама машины, 9 - общая ось поворота, 10 – диск, 11 нижнее звено, 12 – стойка, 13 опорные лыжи В конструкции предусмотрены регулировка натяжения разгружающих пружин 5 путем изменения рабочей длины винта 4 и ограничение вертикального перемещения режущего аппарата 1 специальным упором относительно рамы машины 8.
Копирующее устройство работает следующим образом. При перемещении машины вдоль рядка капусты режущий аппарат 1 скользит на опорных лыжах 13, поддерживая постоянную высоту расположения зоны резания над уровнем гребня. При этом носки лифтеров скользят по земле, копируя рельеф почвы по дну борозды между рядами. При наезде опорных лыж на неровности или изменении высоты расположения рамы машины 8 над землей верхнее 3 и нижнее 11 звенья механизма навески поворачиваются на соответствующий угол в продольно-вертикальной плоскости относительно первоначальных положений. На такой же угол поворачивается диск 10. В результате этого канат 6 соответственно частично наматывается на обод диска 10 или частично разматывается с него, тем самым положение конца блока разгружающих пружин 5 меняется, поддерживая их натяжение так, чтобы момент сил на стойке 12 нижнего звена 11 навески оставался постоянным при изменении положения режущего аппарата 1 по вертикали относительно рамы машины 8. Кроме того, длина верхнего звена механизма навески изменяется в зависимости от рельефа почвы под лифтерами за счет деформации пружины в нем.
Поддерживание зоны резания на постоянной высоте над гребнем и лифтеров на уровне земли является необходимым условием для качественного выравнивания и среза кочанов при машинной уборке.
Основным конструктивным параметром копирующего устройства является радиус обода диска 10 механизма навески.
Исходя из условия соблюдения равенства значений уравновешивающего момента, приложенного к стойке нижнего звена механизма навески в крайнем верхнем и в крайнем нижнем положениях режущего аппарата в ходе копирования рельефа почвы, то есть исходя из равенства:
F h = F/ h /, (1) где F, F' - силы упругости разгружающей пружины навески соответственно в крайнем верхнем и крайнем нижнем положениях режущего аппарата, Н;
h, h/ плечи сил упругости разгружающей пружины F и F' соответственно, м.
Или в соответствии с рис. 2 (при пренебрежении размерами отклоняющего блока):
(l BC - l 0 - l )сh = (l BC - l 0 - l - rj )сh /, / где ВС - длина отрезка ВС, соединяющего центр отклоняющего блока с точкой крепления блока разгружающих пружин на стойке нижнего звена навески, когда режущий аппарат находится в крайнем верхнем положении, м;
( ) l BC = l 2AC + l 2AB - 2l AC l AB cosj 0 ;
BC/ - длина отрезка ВС/, соединяющего центр отклоняющего блока с точкой крепления блока разгружающих пружин на стойке нижнего звена навески, когда режущий аппарат находится в крайнем нижнем положении, м;
2 0( 0 - l AC )( 0 - l AB )( 0 - l BC ) (l ) l 2AC + l 2AB - 2l AC l AB cos (j 0 + j ) ;
h = = ;
l BC BC / ) = l AC + l AB + l BC ;
0 = l AC + l AB + l BC ;
2 1 ( 1 - l AC )( 1 - l AB )( 1 - l BC h/ = / / ;
l BC / 0 – длина недеформированного блока разгружающих пружин, м;
– длина верхней ветви каната в крайнем верхнем положении режущего аппарата, м;
0 – угол между подпружиненной стойкой АС нижнего звена механизма навески и отрезком АВ прямой, соединяющей его ось поворота с осью отклоняющего блока, когда режущий аппарат находится в крайнем верхнем положении, рад;
– приращение угла 0 при перемещении режущего аппарата из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее, рад;
АС – длина подпружиненной стойки АС нижнего звена механизма навески, м;
АВ – длина отрезка АВ прямой, соединяющей ось поворота нижнего звена механизма навески с осью отклоняющего блока, м;
с – жесткость блока разгружающих пружин, Н/м.
Рисунок Схема 2 расположения звеньев механизма навески в крайнем верхнем и крайнем нижнем положениях режущего аппарата к расчету радиуса r обода диска Откуда (l - l 0 - l ) h / - (l BC - l 0 - l ) h r= BC /. (2) j h/ В механизме навески режущего аппарата основным звеном является блок разгружающих пружин, жесткость которых оказывает существенное влияние на упругую характеристику механизма, следовательно, на качество копирования режущим аппаратом рельефа поля.
Обоснуя величину жесткости с блока разгружающих пружин, рассмотрим произвольное положение механизма навески режущего аппарата, когда он выведен из состояния равновесия. При этом заметим, что в положении равновесия нижнее звено механизма навески (рис. 3) отклонено от горизонтали на угол ст, разгружающие пружины растянуты на величину ст, сила тяжести режущего аппарата, приходящаяся на шарнир D, полностью уравновешена, витки пружины верхнего звена навески сжаты полностью, поэтому его длина остается постоянной до тех пор, пока режущий аппарат не каснется земли. В этом случае копирующее устройство можно представить в первом приближении как систему с односторонней связью с одной степенью свободы.
а) б) Рисунок 3 - Схема механизма навески к обоснованию жесткости блока разгружающих пружин: а – в положении равновесия;
б – в положении, выведенном из равновесия Выберем в качестве обобщенной координаты системы угол j (рад) отклонения нижнего звена АD механизма навески от положения равновесия.
Считая угол j малым, составим для системы уравнение Лагранжа:
d T T - = Q, (3) & dt j j где Т – кинетическая энергия системы;
Q – обобщенная сила, соответствующая & обобщенной координате j ;
j – обобщенная скорость системы.
Поскольку все действующие активные силы потенциальные, выразим обобщенную силу Q через потенциальную энергию П системы:
П Q=- j Тогда исходным уравнением будет:
d T T П - =- (4) & dt j j j & При исследовании в уравнении сохраним малые величины j и j в первой степени, пренебрегая малыми величинами более высокого порядка. Ввиду малости масс звенья механизма считаем невесомыми. Массу режущего аппарата приводим в точку D.
Так как механизм навески параллелограммный, он обеспечивает поступательное движение режущего аппарата. В этом случае кинетическая энергия системы & mj 2 l 2AD T= (5), где m – масса режущего аппарата, кг;
l AD - длина звена АD, м.
Отсюда находим d T Т Т & & = ml 2ADj.
= ml 2ADj, = 0, (6) & & dt j j j Определим потенциальную энергию П системы, учитывая, что для блока пружин П = 0,5сl2, где – удлинение блока пружин (м), а для поля сил тяжести П = mgz D, где z D - координата центра приведения силы тяжести режущего аппарата.
Тогда для всей системы П = 0,5c 2 + mgz D. (7) Определяя, учтем, что в положении равновесия блок пружин имеет статическое (начальное) удлинение ст, необходимое для уравновешивания силы тяжести режущего аппарата. При повороте звена AD на угол j блок пружин получит дополнительное удлинение, равное c, причем ввиду малости j можно считать c = l ACj. В то же время из-за перемещения свободного конца блока пружин удлинение их уменьшается на величину SЕ = j r (здесь r- радиус диска, м).
Для z D, направляя ось z вверх и совмещая начало координат О с положением центра приведения сил тяжести режущего аппарата при равновесии, получим z D = SD. Выразим SD через обобщенную координату j и получим z D = -j l AD.
Подставляя все найденные величины в равенство (7), получим:
c П = (j l AC + ст - j r) 2 - mg j l AD.
Тогда П = с(j l АС + ст - j r)(l AC - r) - mg l AD. (8) j Входящую сюда неизвестную величину ст найдем из условия, что при равновесии системы, т.е. когда j = 0, должно быть и Q=0. Полагая в (8) j = 0 и Q=0, получим mgl AD =. (9) c(l AC - r) ст Заменяя в выражении (8) ст этим значением, найдем, что П = c(l AC - r) 2 j. (10) j Подставляя значения производных из равенств (6) и (10) в уравнение (4), получим && ml 2ADj = -c(l AC - r) 2 j или с(l АС + r) && j + к j = 0, где к =. (11) ml 2AD Уравнение (11) является однородным дифференциальным уравнением второго порядка. Решение его ищем в виде j = e nt. Полагая в уравнении (11) j = e nt, получим для определения n характеристическое уравнение n 2 + к 2 = 0.
Поскольку корни этого уравнения являются чисто мнимыми ( n 1,2 = ±iк ), то, как известно из теории дифференциальных уравнений, общее решение уравнения (11) имеет вид:
j = C sinкt + C cosкt, (12) 1 где С1 и С2 – постоянные интегрирования. Если вместо постоянных С1 и С2 ввести постоянные А и такие, что С1=Аcos, С2=Аsin, то получим j = A(sinкt cos + cosкt sin).
Или j = Asin(кt + ). (13) Уравнение (13) изменения угла в зависимости от времени t является уравнением гармонического колебания амплитудой А и круговой частотой (l + r ) c к = AC.
l AD m Таким образом, при полном уравновешивании режущего аппарата разгружающими пружинами, т.е. при = ст, положение шарнира D будет изменяться по вертикали по закону, близкому гармоническому. Это приводит к «галопированию» режущего аппарата во время работы комбайна, что затрудняет выдерживать заданную высоту среза кочерыг.
«Галопирования» режущего аппарата можно избежать путем устранения в копирующем устройстве гармонических колебаний, оставляя небольшую часть веса режущего аппарата неуравновешенной разгружающими пружинами. Это возможно при соблюдении условия:
l Dhlст AD, l AC Dh - диапазон изменения высоты расположения режущего аппарата где относительно рамы в зоне навески в процессе работы машины, м.
Или с учетом выражения (9) mgl 2AD Dh.
c (l AC - r )l AC Отсюда mgl 2AD с. (14) Dh (l AC - r )l AC При выполнении условия (14) режущий аппарат в процессе копирования всегда будет находиться выше положения своего устойчивого равновесия, касаясь опорными лыжами поверхности поля. При этом будет прижиматься к поверхности поля некоторой частью силы тяжести, неуравновешенной силой упругости блока пружин.
Таким образом, выражение (14) является для режущего аппарата техническим условием обеспечения копирования рельефа поля без отрыва от поверхности почвы. Оно позволяет определить расчетным путем потребную жесткость блока разгружающих пружин.
При исходных числовых значениях m=200 кг, l АD =0,7 м, Dh =0,15 м, l AC =0,26 м, r=0,125 м, произведя расчет по формуле (14), получим с=182 кН/м.
Полученное расчетное значение с=182 кН/м может являться верхней границей рабочей жесткости блока разгружающих пружин. Поэтому для подбора пружин в блоке рабочую жесткость желательно установить ниже 182 кН/м.
Однако при этом следует учитывать факт, что чрезмерное уменьшение жесткости с может привести в процессе копирования к деформациям разгружающих пружин, превышающим пределы их рабочих деформаций. С учетом сказанного рекомендуется установить рабочую жесткость блока пружин в пределах 150… кН/м.
Ниже в ходе полевых исследований выяснилось, что рама капустоуборочного комбайна в зоне навески режущего аппарата колеблется относительно поверхности гребня по высоте. Так как при этом режущий аппарат должен оставаться на постоянной высоте над гребнем, то копирующее устройство должно обеспечивать перемещение его относительно рамы. Диапазон перемещений режущего аппарата относительно рамы примем кратно двум средним квадратическим отклонениям высоты расположения рамы комбайна над поверхностью гребня, т.е. =±2. При этом режущий аппарат будет находиться на заданной высоте над гребнем в процессе работы комбайна при пороге доверительной вероятности 0,95.
Перемещение режущего аппарата относительно рамы комбайна определяется движением шарнира D (рис. 4) в механизме навески.
В механизме навески нижнее звено и подпружиненная стойка связаны друг с другом жестко, поэтому не трудно вывести из рис. 4 зависимость:
j max = arcsin, l AD где max- размах колебаний подпружиненной стойки, рад.
Или с учетом сказанного выше 4s j max = arcsin. (15) l AD Подставляя в выражение (15) цифровые значения = ±0,05 м, l АD =0,7 м, убеждаемся, что max » 16 0.
Рисунок 4 – Схема к определению размаха колебаний подпружиненной стойки В процессе копирования режущего аппарата рельефа почвы сила реакции N под опорными лыжами изменяется в зависимости от расположения его относительно рамы машины.
Сила реакции N может быть определена из уравнения равновесия режущего аппарата (рис. 5) в любом положении по формуле:
F (r - h i ) + mgl AD N= i, (16) l AD где Fi- сила упругости разгружающей пружины в i-том положении режущего аппарата, Н;
hi-плечо силы упругости относительно шарнира подвески А в i-том положении, м.
Рисунок 5 – Схема к определению силы реакции N под опорными лыжами в зависимости от положения режущего аппарата относительно рамы комбайна Сила упругости Fi в свою очередь зависит от величины деформации и жесткости разгружающих пружин, может быть определена в зависимости от конструктивных параметров механизма навески копирующего устройства согласно выражению:
Fi = (l i - l BC - r j i + l)c, (17) где i- длина отрезка ВС, соединяющего центр отклоняющего блока с точкой крепления разгружающих пружин на стойке нижнего звена в i-том положении режущего аппарата, м;
i- угол поворота стойки нижнего звена навески от исходного положения в i-том положении режущего аппарата, рад.
Плечо силы упругости i ( i - l AC )( i - l AB )( i - l i ) l + l AC + l i (здесь i = AB hi = ).
li Зависимости силы реакции N от угла поворота j i стойки нижнего звена согласно выражению (16) представлены при различных значениях длины стойки АС и исходной деформации блока разгружающих пружин =170 мм на рис. 6.
Из рисунка 6 видно, что при длине стойки АС=260 мм зависимость N=f(i) остается постоянной на всем диапазоне изменения i. Однако при увеличении рабочей длины стойки АС сила реакции N имеет тенденцию к уменьшению.
N, Н Рисунок 6 – Зависимость реакции N от угла поворота i стойки нижнего звена при исходной деформации блока разгружающих пружин =170 мм и длине стойки: АС=220 мм ( ), АС=260 мм ( ), АС=300 мм ( ), АС=340 мм ( ), рад 0 0,07 0,14 0, В третьем разделе ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО «МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ» изложены программа и методика исследований.
Установка для исследования силовой характеристики копирующего устройства в статике состоит из несущей рамы 12 (рис. 7), к которой прикреплен узел копирующего устройства, состоящий из диска 11 на валу с опорами. Вал в опорах установлен свободно и имеет возможность поворачиваться. На диске заварены рычаг 9 и стойка 5. Стойка соединена с блоком 3 разгружающих пружин, а рычаг 9 связан с динамометром 10. Блок 3 разгружающих пружин крепится на рычаге посредством траверсы 4 и винта 6. На рычаге имеются пять отверстий для перестановки траверсы 4 в целях изменения плеча сил упругости разгружающих пружин.
Рисунок 7 - Схема установки для исследования в статике силовой характеристики копирующего устройства капустоуборочной машины: 1 отклоняющий блок, 2 - канат, 3 – блок разгружающих пружин, 4 траверса, 5 - стойка, 6 - винт, 7 мерная стойка, 8- винтовой механизм, 9- рычаг, 10 – динамометр, 11 - диск, 12 - рама Другой конец блока пружин соединен с помощью каната 2 через отклоняющий блок 1, установленный на подшипнике, с ободом диска 11. Рычаг вместе с диском и стойкой может поворачиваться с помощью винтового механизма 8, а динамометр 10 при этом фиксирует значение силы на рычаге при разных значениях угла i. Причем изменение положения рычага 9 фиксируется мерной стойкой 7.
Установка для исследования процесса копирования в динамике (рис. 8) состоит из режущего аппарата 6, который соединен с рамой капустоуборочного комбайна посредством механизма навески 7 нового копирующего устройства. Для имитации неровности рельефа поля под опорной лыжей режущего аппарата установлен эксцентрик 8, получающий вращение от специального привода.
Копирующая лыжа выполнена в виде двуплечего рычага 4, установленного на раме режущего аппарата 6 шарнирно. Причем свободное плечо ее соединено с помощью тяги призмой 5, установленной на раме режущего аппарата консольно.
Призма 5 снабжена тензометрическими датчиками, преобразующими деформации изгиба в электрический сигнал.
При вращении эксцентрика 8 под копирующей лыжей имитируется заезд режущего аппарата 6 на возвышенности, поэтому режущий аппарат 6 совершает колебательное движение как во время работы на поле. При этом сила реакции N (рис. 8, б) под копирующей лыжей передается на призму 5 с тензодатчиками в соответствии с отношением плеч h1/h2, где преобразуется в электрический сигнал.
а) б) в) Рисунок 8 – Установка для исследования процесса копирования в динамике: а - общий вид;
б – схема сил;
в – схема принципиальная;
1 - переносной компьютер – ноутбук Max Select Expert 910, 2 – осциллограф Tektronix TDS 1002, 3 – усилитель, 4 – двуплечий рычаг, 5 – призма с тензометрическими датчиками, 6 – режущий аппарат, 7 – механизм навески, 8 – эксцентрик, N – сила реакции под опорными лыжами, F1 – сила, действующая на призму с тензометрическими датчиками, h1, h2 – плечи соответственно сил N, F Для регистрации изменения положения режущего аппарата относительно рамы к диску копирующего устройства подключен потенциометрический датчик.
Таким образом, в лабораторной установке регистрировали при помощи потенциометрического датчика изменение положения режущего аппарата по высоте, а при помощи двуплечего рычага и тензометрических датчиков – силу реакции под опорной лыжей при различных интервалах индикации времени.
Аналоговые сигналы регистрировались на магнитном носителе цифровым осциллографом Tektronix TDS 1002, а их просмотр, сервирование и сохранение производились переносным компьютером – ноутбуком Max Select Expert 910.
В четвертом разделе «РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» представлены и проанализированы полученные данные исследований.
Экспериментально исследовано влияние рабочей длины стойки AC, исходной деформации разгружающих пружин и их количества в блоке на упругую характеристику предложенного копирующего устройства с обратной гибкой связью (рис. 9, 10).
Зависимости силы Р = f(h) копирующего устройства при разных комплектациях разгружающих пружин практически аналогичны, отличие состоит лишь в численных значениях сил соответственно.
Р, Н Р, Н Р, Н 1600 1400 1200 700 500 90 120 h, мм 30 60 90 120 h, мм 0 30 60 90 120 h, мм 0 0 30 60 а) б) в) Рисунок 9 – Зависимости силы Р в копирующем устройстве с двумя разгружающими пружинами от изменения положения нижнего звена навески h при исходных деформациях их = 110 мм (а), = 140 мм (б), = 170 мм (в):
- AC =220 мм;
-AC = 260 мм;
AC = 300 мм;
-AC = 340 мм Р, Н 1900 Р, Н Р, Н 30 60 90 120 h, мм 60 90 120 h, мм 90 120 h, мм 0 0 30 0 30 60 а) б) в) Рисунок 10 – Зависимости силы Р в копирующем устройстве с тремя разгружающими пружинами от изменения положения нижнего звена навески h при исходных деформациях их = 110 мм (а), = 140 мм (б), = 170 мм (в):
- AC =220 мм;
-AC = 260 мм;
AC = 300 мм;
-AC = 340 мм Из исследованных вариантов копирующего устройства при массе режущего аппарата m = 200 250 кг наиболее подходящим является копирующее устройство с тремя разгружающими пружинами при рабочей длине стойки l АС = 220 мм и длине нижнего звена l АD = 700 мм. Однако при этом начальное значение уравновешивающей силы Р0 не достаточно, поэтому предлагаем принять l АС = 260 мм, при которой уравновешивающая сила становится достаточной во всем диапазоне копирования.
Процесс копирования режущего аппарата с новым копирующим устройством исследован в составе экспериментального капустоуборочного комбайна (рис. 8).
Фрагмент осциллограммы силы, действующей на призму с тензодатчиками, в зависимости от изменения положения режущего аппарата относительно рамы капустоуборочного комбайна показан на рис. 11.
Рисунок Фрагмент 11 осциллограммы силы (1), действующей на призму с тензодатчиками, в зависимости от изменения положения (2) режущего аппарата относительно рамы капустоуборочного комбайна Заметим, что колебания значений силы F1 совпадают по фазе с колебаниями режущего аппарата, т.е. процессы протекают с четко выраженным одинаковым периодом Т. В то же время запись изменения силы F сопровождается колебаниями более высокой гармоники с периодом Т1. Причем ТТ1.
Это объясняется наличием собственных колебаний внутри самой измерительной системы. Двуплечий рычаг имеет упругие консоли с плечами h1 и h2 (рис. 8, б), следовательно, в системе происходят изгибные собственные колебания их с периодом Т1. Поэтому происходит периодическое изменение силы F1 в записи осциллограммы, следовательно, в анализе осциллограмм следует учитывать данный факт.
Из анализа осциллограммы полученной при следующих параметрах копирующего устройства: r = 125 мм, l АD = 700 мм и l АС = 260 мм следует, что среднее значение силы реакции N = 595 Н, среднеквадратическое отклонение её = 147 Н, а коэффициент вариации = 24,7%. Что подтверждает результаты теоретических исследований.
В результате полевых исследований выявлено, что капустоуборочный комбайн (рис. 12) с новым копирующим устройством успешно выполнял технологический процесс, осуществлял сбор кочанов без видимых повреждений, что соответствует агротехническим требованиям. Показатели качества работы приведены в табл. 1.
Рисунок 12 – Капустоубороч ный комбайн с новым копирующим устройством в работе Таблица 1 - Показатели качества работы капустоуборочного комбайна с новым копирующим устройством Наименования показателей Значения показателей Скорость движения, м/с 0,5 1, Убрано кочанов всего, % 100 Потери кочанов всего 0 Повреждено кочанов всего, % 3 в т. ч. слабо (до 3-х прилегающих листьев) 2 сильно (более 3-х прилегающих листьев) 1 Качество обрезки кочанов, % количество кочанов с длиной кочерыжки выше розеточного листа: от 0 до 3 см 94,3 92, от 3 до 5 см 5,7 7, свыше 5 см 0 В пятом разделе «ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ» приведены технико-эксплуатационные показатели, полученные в результате производственных испытаний и определена экономическая эффективность капустоуборочного комбайна с новым копирующим устройством.
Производственная проверка капустоуборочного комбайна с новым копирующим устройством в колхозе «Красный фронтовик» Ибресинского района Чувашской Республики, подтвердила теоретические предпосылки и результаты лабораторных исследований. Использование нового копирующего устройства позволило повысить качество обрезки кочанов капусты (выход товарных кочанов составил 92-94%), добиться надежного выполнения технологического процесса при рабочей скорости до 1,55 м/с.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработана конструктивно-кинематическая схема копирующего устройства (патенты РФ № 2310315 и № 2365086), обеспечивающего качественное выполнение технологического процесса капустоуборочным комбайном.
2. Получены аналитические зависимости (2) и (15) между конструктивными параметрами копирующего устройства, позволяющие обеспечить постоянство силы давления под опорными лыжами режущего аппарата в рабочем диапазоне колебаний относительно рамы капустоуборочного комбайна (п.2 патента РФ № 2310315).
3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено техническое условие (14) для выбора жесткости разгружающих пружин в зависимости от конструктивных параметров копирующего устройства и массы режущего аппарата.
4. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлены следующие рациональные средние значения параметров копирующего устройства: радиус обода диска нижнего звена навески r = 0,125 м;
рабочая длина подпружиненной стойки l АС = 0,26 м ;
длина нижнего звена подвески l АD = 0,7 м ;
размах колебаний подпружиненной стойки max = 16° ;
жесткость разгружающих пружин (при массе режущего аппарата m = 200 кг) c = 150…180 кН/м.
Производственными испытаниями установлена достаточная 5.
эффективность функционирования капустоуборочного комбайна с разработанным копирующим устройством, о чем свидетельствует факт перехода от традиционного ручного способа вождения режущего аппарата в рядке капусты к автовождению.
6. Ожидаемый годовой экономический эффект при нормативной загрузке 130 ч капустоуборочного комбайна с разработанным копирующим устройством составляет 436730 руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Григорьев, А. О. К выбору копирующего устройства для капустоуборочной машины / А.О. Григорьев // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Чебоксары: ЧГСХА, 2006. – С. 239-241.
2. Алатырев, С. С., Григорьев, А. О. Новое копирующее устройство для капустоуборочных машин / С.С. Алатырев, А.О. Григорьев // Картофель и овощи.
– 2006. - №5. – С.24.
3. Алатырев, С. С., Григорьев, А. О. Копирующее устройство для перспективных капустоуборочных машин / С.С. Алатырев, А.О. Григорьев // Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. – Чебоксары: ЧГСХА, 2006. - С. 404.
4. Алатырев, С. С., Григорьев, А. О. О новом направлении в развитии технических средств для уборки капусты / С.С. Алатырев, А.О. Григорьев // Материалы научных трудов по овощеводству и бахчеводству (к 75-летию Всероссийского НИИ овощеводства). М.: Российская академия – сельскохозяйственных наук ГНУ Всероссийского НИИ овощеводства, 2006. С.27-33.
5. Григорьев, А. О., Матросов, Д. П. Обоснование конструктивных параметров копирующего устройства / А.О. Григорьев, Д.П. Матросов // Материалы студенческих научных конференций факультетов на тему «Роль молодых ученых в решении приоритетного национального проекта «Развитие АПК». - Чебоксары: ЧГСХА, 2007. – С. 229-230.
6. Григорьев, А. О. Лабораторная установка и методика исследования механизма подвески срезающего аппарата капустоуборочной машины / А.О.
Григорьев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Роль ученых в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК». Чебоксары: ЧГСХА, 2007. – С. 85-87.
7. Алатырев, С. С., Савеличев, К. А., Алатырева, И. С., Григорьев, А. О.
Новые технологии и технические средства для уборки капусты / С.С. Алатырев, К.А. Савеличев, И.С. Алатырева, А.О. Григорьев // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2008. - №7. – С. 16 – 17.
8. Григорьев, А. О. Результаты лабораторных исследований нового копирующего устройства капустоуборочной машины / А.О. Григорьев // «Молодежь и наука ХХI века»: Материалы Межрегиональной научно практической конференции молодых ученых. – Чебоксары: ЧГСХА, 2008. – С. 80-81.
9. Григорьев, А. О., Леонтьев, В. Г., Шардатов, Д. М. Копирующее устройство для перспективных капустоуборочных машин / А.О. Григорьев, В.Г.
Леонтьев, Д.М. Шардатов // «Молодежь и наука ХХI века – специалисты АПК нового поколения»: Материалы студенческой научно-практической конференции.
– Чебоксары: ЧГСХА, 2009. - С. 233-234.
10. Алатырев, С. С., Тончева, Н. Н., Григорьев, А. О., Алатырева, И. С.
Новое копирующее устройство капустоуборочной машины / С.С. Алатырев, Н.Н.
Тончева, А.О. Григорьев, И.С. Алатырева // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2009. - №10. – С. 8 – 11.
11. Пат. № 2310315 РФ, МПК А01 Д45/26. Копирующее устройство срезающего аппарата капустоуборочной машины / С.С. Алатырев, А.О.
Григорьев. - № 2005137092/12(041398);
заявлено 29 ноября 2005 г.;
опубл.
20.11.2007 г., Бюл. №32. – 8 с.: ил.
12. Пат. №2365086 РФ, МПК А01D 45/46. Капустоуборочная машина / С.С.
Алатырев, Н.Н. Тончева, А.О. Григорьев, К.А. Савеличев, И.С. Алатырева, Р.В.
Андреев. - № 2008107374/12(007981);
заявлено 26 февраля 2008 г.;
опубл.
27.08.2009 г.;
Бюл. №24. – 12 с.: ил.
Подписано в печать 2009 г. Формат 6084/ Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ _ Отпечатано с оригинал – макета Полиграфический отдел ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА»
428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, Лицензия ПЛД №27-