Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ПРИВОДЕ МАШИНЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ В ТЕПЛИЦАХ МПТ-1,2

Купряшкин В.Ф. 1 Наумкин Н.И. 1 Фирстов А.Ф. 1 Уланов А.C. 1
1 ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева»
1. Чаткин М. Н. Кинематика и динамика ротационных почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. – 316 с.
2. Купряшкин В. Ф. Повышение эффективности функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы оптимизацией конструктивно-технологических параметров (на примере фрезы ФС-0,85): автореф. дис. ... канд. техн. наук / В. Ф. Купряшкин. – Саранск., 2011. – 20 с.
3. Купряшкин В. Ф. Повышение эффективности функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы / В. Ф. Купряшкин, М. Н. Чаткин, Н. И. Наумкин, А.В. Безруков // Труды ГОСНИТИ. – 2012. – Т.110. – Ч.1. – С. 100-104.
4. Купряшкин В. Ф. Энергоемкость фрезерования почвы малогабаритными фрезами с приводными колесами / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин, М. Н. Чаткин // Тракторы и сельхозмашины. – 2013. – № 8. – С. 39-41.
5. Наумкин Н. И. Теория механизмов и машин и ее приложения в АПК. Н. И. Наумкин, Н. В. Раков, В. Ф. Купряшкин. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. – 220 с.
6. 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.
7. Синеоков Г. Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. Г. Н. Синеоков, И. М. Панов. – М.: Машиностроение, 1977. – 328 с.

Применяемые в настоящее время для обработки почвы машины с активными ротационными рабочими органами, обладают небольшим тяговым сопротивлением, что позволяют существенно снизить металлоемкость, как самой машины, так и всего агрегата при неизменной мощности двигателя [1]. Однако при этом указанные машины имеют недостаточную надежность и малую долговечность. Поэтому определение оптимальных конструктивных параметров рабочих органов и наиболее приемлемых кинематических режимов их работы, изучение закономерностей динамических процессов и выявление зависимостей между ними является первостепенной задачей, решение которой способствует дальнейшему усовершенствованию конструкции, повышению надежности, долговечности и функционирования этих машин [2, 3, 4].

Предлагаемый материал посвящен анализу динамических нагрузок в приводе машины для глубокого вскапывания и предпосадочной обработки почвы в теплицах МПТ-1,2 (рис. 1) заключающегося в определении коэффициента неравномерности угловой скорости на приводном валу ее рабочего органа (фрезбарабана).

first1.wmf 

Рис. 1. Машина для обработки почвы в теплицах МПТ-1,2

 

Для решения поставленной задачи были использованы аналитические методы, основанные на применении уравнений кинетической энергии [5, 6]. При этом динамический анализ фрезбарабана проводился за один рабочий цикл, принятый равным одному полному его обороту при условии установившегося протекания технологического процесса фрезерования почвы. В качестве объекта обработки являлся малогумусный чернозем с плотностью почвы first2.tif. Кроме того, учитывались конструктивные и технологические особенности машины, а в частности конструкция фрезбарабана состоящего из 5 рабочих секций с 32 Г-образными ножами (табл. 1) и рабочий угол резания почвы.

 

Таблица 1

Размещение ножей по дискам и последовательность их работы

Номер диска

Номер

ножа

Угловой шаг β, градус

Номер

ножа

Угловой шаг β, градус

1

2

3

4

5

Номер ножа

13

17

17

198

1

5

13

21

29

29

32

31

212

2

6

14

22

30

5

39

9

220

3

7

15

23

31

14

45

18

226

4

8

16

25

32

21

56

25

235

10

18

26

6

66

10

245

11

19

27

22

82

26

262

12

20

28

2

90

4

270

15

107

19

288

30

121

32

302

7

127

11

208

16

135

20

316

23

144

27

324

8

155

12

335

24

172

28

353

 

first3.tif

Рис. 2. Схема для определения рабочего угла ножа

 

Рабочий угол резания почвы одного ножа α (градус) вычисляли при максимальной глубине обработки h = 20 см. Для этого строили расчетную схему (рис. 2), откуда получили, что α = 1700 .

На первом этапе анализа динамических нагрузок в приводе машины определяли изменение крутящего момента на приводном валу от угла поворота фрезбарабана как для оного ножа, так для всего фрезбарабана. При этом максимальное значения крутящего момента на приводном валу для одного ножа определяли из выражения [6]:

first4.tif,

где п – количество ножей, п = 1; r0 – радиус барабана, м; R = 0,4 м; S – подача на нож, м; S = 0,14 м; qа – коэффициент объемного смятия, qа = 0,6 . 106 Н/м3; b – ширина захвата ножа, м; b = 0,125 м; kот – коэффициент отбрасывания, first5.tif; kот= 0,85 first6.tif; h – глубина обработки, м; h = 0,2 м; ρ – плотность почвы, кг/м3; ρ = 0,16 кг/м3; v0 – окружная скорость на лезвии ножа, м/с; v0= 3,12 м/с.

first7.tif 

Используя кривую изменения приводного момента за рабочий ход для Г-образных ножей [7] и полученное значение Мкр строим соответствующий график (рис. 3).

Далее используя данные таблицы 1 и рис. 3, путем последовательного сложения ординат диаграмм, построенных с угловым сдвигом, равным угловому шагу ножей β, строим суммарный график крутящего момента first9.tif, Н·м (рис. 4), откуда находим значения минимальной и максимальной амплитуды крутящего момента на приводном валу фрезы: Мкр.min = 4009 Н. м и Мкр.max = 4742 Н. м.

first8.tif 

Рис. 3 Диаграмма изменения крутящего момента на валу фрезбарабана
при работе одного ножа, в зависимости от угла поворота

 

Рис. 4. Диаграмма изменения суммарного крутящего момента

Для дальнейших графических построений определим масштабы построения для суммарного графика крутящих моментов first11.tif и угла поворота фрезбарабана first12.tif по формулам:

first13.tif и first14.tif,

 

где first15.tif– высота ординаты наибольшего значения суммарного момента, мм; принимаем first16.tif= 235 мм; Хmax – длина отрезка отображающего угол поворота фрезбарабана на 360о, мм; принимаем Хmax = 180 мм.

С учетом принятых значений получаем:

first17.tif и first18.tif.

Поделив значения суммарных крутящих моментов на величину масштаба, определим ординаты для построения диаграммы. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения суммарных крутящих моментов

φ,

градус

first19.tif,

мм

first20.tif,

Н .м

φ,

градус.

first19.tif,

мм

first20.tif 

Н .м

φ,

градус

first19.tif,

мм

first20.tif,

Н.м

0 (360)

233

4742

120

207

4212

240

207

4212

10

231

4701

130

200

4070

250

215

4375

20

220

4477

140

208

4233

260

223

4538

30

202

4111

150

210

4274

270

228

4640

40

197

4009

160

211

4294

280

233

4742

50

202

4073

170

228

4640

290

220

4477

60

207

4212

180

233

4742

300

207

4212

70

215

4375

190

231

4701

310

200

4070

80

223

4538

200

220

4477

320

208

4233

90

228

4640

210

202

4111

330

210

4274

100

233

4742

220

197

4009

340

211

4294

110

220

4477

230

202

4073

350

228

4640

 

Затем графическим интегрированием диаграммы моментов строим диаграмму работ полезных сил сопротивления Ас = Ас(φ). Построение диаграммы работ движущих сил Ад = Ад(φ) производим с допущением, что движущий момент постоянен во времени, т.е. Мд = const. Тогда график работы движущих сил будет представлять наклонную прямую, соединяющую точку С диаграммы Ас = Ас(φ) с началом координат (рис. 5).

Масштаб диаграммы работ определим из соотношения:

first21.tif,

где first22.tif– полюсное расстояние, мм; first22.tif= 250 мм.

first23.tifДж/мм.

Вычитая ординаты работы сил полезных сопротивлений из ординат работы движущих сил для каждого положения фрезбарабана, построим диаграмму изменения кинетической энергии от угла поворота ножей first24.tif 

Выбираем масштаб построения:

first25.tifДж/мм.

Вычислим остальные ординаты по формуле:

first26.tif.

Результаты расчетов приведены в таблице 3. По полученным данным построим диаграмму изменения кинетической энергии first24.tif (рис. 6).

first10.tif

Рис. 5. Диаграммы изменения работ полезных сил сопротивления Ас = Ас (φ) и движущих сил Ад = Ад(φ)

Таблица 3

Кинетическая энергия на валу фрезбарабана и ее ординаты

φ, градус

ΔТ, Дж

УΔТ, мм

Тi, Дж

УТi, мм

ΔТ ', Дж

УΔТ', мм

0 (360)

0

0

252,5

7,3

252,5

-7,3

20

346,4

-10

252,5

7,3

599,3

-17,3

40

173,2

-5

252,5

7,3

426

-12,3

60

207,8

-6

252,5

7,3

4607

-13,3

80

207,8

-6

252,5

7,3

460,7

-13,3

100

346,4

-10

252,5

7,3

599,3

-17,3

120

519,6

-15

252,5

7,3

772,4

-22,3

140

519,6

-15

252,5

7,3

772,4

-22,3

160

519,6

-15

252,5

7,3

772,4

-22,3

180

1385,6

-40

252,5

7,3

1638

-47,3

200

1732

-50

252,5

7,3

1985

-57,3

220

1420,2

-41

252,5

7,3

1673

-48,3

240

1385,6

-40

252,5

7,3

1638

-47,3

260

1247

-36

252,5

7,3

1500

-43,3

280

1039

-30

252,5

7,3

1292

-37,3

300

866

-25

252,5

7,3

1119

-32,3

320

554

-16

252,5

7,3

807

-23,3

340

173,2

-5

252,5

7,3

426

-12,3

 

first27.tif

Рис. 6. Диаграмма изменения кинетической энергии first29.tif

Далее методом крутильных колебаний определяем момент инерции фрезбарабана относительно собственной оси вращения, для чего фрезбарабан 1 закрепляем в патроне 2 подвешенному на упругом стальном стержне 3 лабораторной установки (рис. 7).

first30.tif

 

Затем после проведения серии опытов, определяем значение момента инерции фрезбарабана по формуле:

first31.tif,

где Jф и Jп – моменты инерции фрезбарабана и патрона, кг·м2; Т1 и Т2 – периоды крутильных колебаний для патрона и фрезбарабана соответственно, с.

В результате проведения опытов и расчетов получаем: Jф = 8,3 кг·м2.

Перепад кинетической энергии определяем методом Мерцалова-Рериха [], для чего вычисляем кинетическую энергию фрезбарабана и строим диаграмму first32.tif в том же масштабе, в котором построена диаграмма first33.tif.

Кинетическую энергию фрезбарабана при его угловой скорости ωф = 7,8 рад/с определим по формуле:

first34.tifДж

Рис. 7. Схема установки для определения момента инерции фрезбарабана методом крутильных колебаний

Определяем ординату диаграммы first32.tif:

first35.tifмм.

По ординатам, приведенным в таблице 3, строим диаграмму изменения кинетической энергии фрезбарабана first32.tifи дополнительную диаграмму first33.tif (рис. 8 и 9), при этом абсолютные значения последней определяем из соотношения first36.tif, а ее ординаты вычисляем из выражения first37.tif. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

На диаграмме first33.tif (рис. 9) проведем горизонтальные прямые к экстремальным точкам функции. Эти прямые пересекут ось ординат в точках С и D. Полученный отрезок СD = 50 мм будет выражать в масштабе first38.tif размах колебаний кинетической или избыточной энергии.

 

first28.tif

Рис. 8. Диаграмма изменения кинетической энергии фрезбарабана first32.tif

Рис. 9. Дополнительная диаграмма изменения кинетической энергии first33.tif

Для определения значений угловой скорости на валу фрезбарабана ωф воспользуемся данными таблицы 3 и формулой:

first41.tif 

Результаты вычислений представлены в таблице 4.

Далее определяем величины ординаты Уω (мм) диаграммы изменения угловой скорости фрезбарабана по формуле:

first42.tif,

где first43.tif – масштаб построения диаграммы изменения угловой скорости фрезбарабана, first44.tif.

Значение first43.tif определим по формуле:

first45.tif,

где first46.tif – максимальное значение угловой скорости фрезбрабана, рад/с; согласно данным таблицы 4 –first47.tif; first48.tif– максимальная величина ординаты графика, мм; принимаем first48.tif= 100 мм.

Тогда

first49.tif.

Результаты расчета ординат Уω представлены в таблице 4, а диаграмма изменения угловой скорости ωф = ωф (φ) на рис. 10.

Таблица 4

Значения угловых скоростей и их ординат

φ, градус

ΔТ, Дж

ωф, рад/с

Уω, мм

φ, градус

ΔТ, Дж

ωф, рад/с

Уω, мм

0 (360)

252,5

7,8

35,6

180

1638,0

19,9

90,9

20

599,3

12,0

54,7

200

1985,0

21,9

100,0

40

426,0

10,1

46,1

220

1673,0

20,1

91,7

60

460,7

10,5

47,9

240

1638,0

19,9

90,9

80

460,7

10,5

47,9

260

1500,0

19,0

86,8

100

599,3

12,0

54,8

280

1292,0

17,6

80,4

120

772,4

13,6

62,1

300

1119,0

16,4

74,9

140

772,4

13,6

62,1

320

807,0

13,9

63,5

160

772,4

13,6

62,1

340

426,0

10,1

46,1

 

first39.tif
first40.tif

Из диаграммы изменения угловой скорости приводного вала фрезбарабана (рис. 10) получаем минимальное и максимальное значения угловой скорости, т. е.: ωф min =7,8 рад/с и ωф max = 21,9 рад/с. Затем определяем среднее значение угловой скорости приводного вала фрезы ωф ср и ее ординату first50.tif на диаграмме, по соответствующим формулам:

first51.tif и first52.tifмм.

По полученным данным строим диаграмму угловой скорости ωфср= ωфср(φ) (рис. 10).

После чего, определяем расчетный коэффициент неравномерности угловой скорости по формуле:

first53.tif.

Рис. 4. Диаграмма изменения угловой скорости приводного вала фрезбарабана

Из сравнения полученного значения δω с допускаемым [δ] = 0,2 [6], следует, что расчетное значение коэффициента δω превышают допускаемое в 4,75 раза, что отрицательно сказывается на надежности и долговечности элементов привода не только фрезы, но и привода вала отбора мощности энергетического средства и на загрузке его двигателя, а также на качестве обработки почвы. Поэтому необходимы конструкторские и технологические решения по устранению причин, вызывающих значительную неравномерность крутящего момента и угловой скорости на приводном валу рабочих органов почвообрабатывающей фрезы.


Библиографическая ссылка

Купряшкин В.Ф., Наумкин Н.И., Фирстов А.Ф., Уланов А.C. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ПРИВОДЕ МАШИНЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ В ТЕПЛИЦАХ МПТ-1,2 // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5-1. – С. 94-100;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33725 (дата обращения: 30.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074