Результаты экспериментальных исследований усовершенствованных ножей роторной косилки при срезании кустарниковой растительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты экспериментальных исследований усовершенствованных ножей роторной косилки при срезании кустарниковой растительности



Введение

экспериментальный роторный косилка

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований влияния углов заточки и расхождения режущих кромок ножей, а также частоты вращения ротора на величину крутящего момента на валу ротора при срезании кустарниковой растительности усовершенствованными ножами роторной косилки.

Определены оптимальные параметры и режимы работы режущего аппарата, при которых происходит эффективное срезание кустарниковой растительности c минимальными затратами энергии.

На мелиоративных осушительных и оросительных системах важнейшим их составным элементом, во многом определяющим функционирование всей системы, зачастую является сеть каналов. Под влиянием природно-климатических факторов, а также при неудовлетворительном выполнении эксплуатационно-ремонтных работ на откосах и бермах каналов достаточно быстро отрастают сорняки и древесно-кустарниковая растительность.

Скашивание и удаление травянистой и древесно-кустарниковой растительности с откосов, берм каналов и дна является одной из основных операций по уходу за мелиоративными системами. Операция окашивания каналов выполняется сегодня разнообразными машинами как зарубежных, так и отечественных производителей. Широкое распространение и хорошую репутацию получили многороторные косилки с шарнирно закреплёнными ножами.

Однако это в основном косилки сельскохозяйственного назначения, которые не учитывают особенности окашивания мелиоративных объектов, обусловленные разнообразием растительности (различные высота, густота и диаметр стеблей травостоя, наличие поросли и кустарника), большим диапазоном заложения откосов, неровностями рельефа как берм, так и откосов и разнообразными грунтовыми условиями [2]. В связи с этим задача совершенствования режущих аппаратов роторных косилок, применяемых на мелиоративных системах, позволяющих срезать как травянистую, так и кустарниковую растительность, является достаточно актуальной.



1.Анализ источников

Несмотря на достаточно продолжительный опыт эксплуатации роторных режущих аппаратов, их режущие элементы имеют большое разнообразие форм и конструкций [3, 4], что говорит о продолжающемся поиске наиболее рациональной конструкции. Однако они не в полной мере учитывают специфические условия работы, описанные выше. Для обеспечения качественного срезания как тонкостебельной травянистой, так и кустарниковой растительности нами предложена усовершенствованная конструкция ножей роторной косилки [5, 6], схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция ножа роторной косилки: 1 - пластина; 2 - отверстие для болта; 3 - режущие кромки; 4 - торцовая кромка ножа

Конструкция ножа представляет собой вытянутую стальную пластину 1 с отверстием для болта 2 для крепления к ротору на одном из ее концов, имеющую заостренные боковые режущие кромки 3, которые расположены радиально,кроме того, нож выполнен расширяющимся к периферии, а внешняя торцовая кромка 4 изготовлена по дуге окружности с центром, совпадающим с центром ротора.

Нож такой конструкции по сравнению с ножом прямоугольной формы имеет бьльшую массу, более удаленный от центра болта центр масс, что позволяет передать более высокую энергию воздействия ножей на стебли растительности и ожидаемую повышенную эффективность работы за счет большей кинетической энергии ножа и стабилизации его положения во время срезания растительности.

Наиболее полно рабочий процесс роторных режущих аппаратов при срезании травянистой растительности рассмотрен в работах [7, 8, 9, 10]. Но авторы этих работ не рассматривают вопрос о влиянии геометрических параметров ножей и режимов работы режущего аппарата на энергетические показатели косилки при срезании кустарниковой растительности, что делает его актуальным для рассмотрения.

2.Методы исследования

Глубокое, всестороннее исследование технологического процесса срезания кустарниковой растительности предлагаемым режущим ножом предусматривает учет всех факторов, оказывающих влияние на протекание и конечные результаты изучаемого процесса. При этом все факторы должны быть управляемыми и контролируемыми. Поэтому для проведения исследований были приняты следующие конструктивные, технологические и кинематические параметры рабочих органов, выбранные на основании априорной информации: угол заточки режущих кромок ножей - б на (рис. 1); угол расхождения режущих кромок ножей - в на (рис. 1); поступательная скорость перемещения режущего аппарата и частота вращения ротора.

Для проведения исследований была изготовлена лабораторная установка (рис. 2) и ножи предлагаемой конструкции, что позволяло в необходимых пределах изменять выбранные факторы. Установка состоит из станины 4, на которой крепятся подшипниковые опоры 6. В опорах посажен вал 7, на нижний конец вала при помощи шпоночного соединения посажен ротор (диск) 3 с шарнирно закрепленными двумя режущими ножами 2. В исследованиях использовался ротор, устанавливаемый на широко применяющихся роторных косилках КРН-2,1Б, КДН-210, АС-1.

Рис. 2. Лабораторная установка: 1 - тележка; 2 - ножи; 3 - ротор; 4 - станина; 5 - рамка; 6 - подшипниковые опоры; 7 - вал; 8 - электродвигатель; 9 - кабель; 10 - тензорезисторы; 11 - передатчик; 12 - приемник

К станине присоединяется электродвигатель 8. На выходном конце вала электродвигателя закреплен ведущий шкив ременной передачи, который при помощи клинового ремня приводит во вращение ведомый шкив ременной передачи и вал 7. Для исследований использовался электродвигатель постоянного тока марки 4ПНМ112М с номинальной частотой вращения n_н = 2800 мин^-1 и номинальной мощностью 3,55 кВт. Изменение частоты вращения вала 7 производилось при помощи включенных в электрическую цепь привода электродвигателя 8, выпрямителя и линейного автотрансформатора. Частота вращения вала контролировалась при помощи дистанционного электрического тахометра DT6234В с диапазоном измерения от 2,5 до 99999 мин^-1 и разрешением 1 оборот в минуту.

На станине также установлена тележка 1, перемещаемая приводом по направляющим станины. Привод тележки состоит из электродвигателя и двухступенчатого червячного редуктора, валы которых соединяются при помощи ременной передачи. На конце выходного вала редуктора закреплен шкив, который при помощи троса приводит в движение тележку. Представленная конструкция привода позволяет при помощи включенных в электрическую цепь привода, выпрямителя и линейного автотрансформатора перемещать тележку в широком диапазоне скоростей. Такая конструкция позволяет обеспечивать имитацию перемещения режущего аппарата. Скорость перемещения тележки задавалась линейным автотрансформатором, включенным в электрическую цепь привода тележки, и контролировалась при помощи секундомера DT 1 с точностью 0,01 с.

На платформе тележки 1 имеются гнезда для крепления исследуемых образцов растительности, причем гнезда имеют разные диаметры (от 10 до 50 мм) и разный угол наклона к вертикали (от 0 до 45°), что при необходимости позволяет имитировать срезание растений, стволы которых наклонены к поверхности почвы. В данных исследованиях плоскость вращения ножей располагалась на высоте 60 мм над верхним краем гнезда крепления образца, что соответствует высоте срезания выпускающихся серийно многороторных косилок.

Режущие ножи были изготовлены из стали 65Г с углом заточки режущих кромок 20, 25, 30, 35 и 40° высотой 5 мм и длиной 125 мм. Углы заострения и расхождения режущих кромок контролировались угломером типа 1-2 ГОСТ 5378-88 со значением отсчета по нониусу 2ґ.

Ножи были выполнены стандартной прямоугольной формы, что соответствовало углу расхождения режущих кромок 0°, и ножи с углами расхождения режущих кромок 45, 60 и 75°.

Для оценки влияния выбранных факторов на энергетические затраты при срезании производили замер величины крутящего момента на валу 7, возникающего от силы сопротивления срезанию кустарниковой растительности при помощи оборудования для тензометрирования. Импульс, возникающий при срезании образца, поступает через передатчик 11 на тензорезисторы 10, наклеенные на вал 7, откуда снимается приемником 12, находящимся на рамке 5, и по кабелю 9 поступает на многоканальный измерительный усилитель Spider 8, подсоединенный к ноутбуку с установленным специализированным программным обеспечением. Результат выводился на дисплей ноутбука в виде диаграммы. Для примера одна из диаграмм представлена на рис. 3. Всплеск в 168 Н·м соответствует моменту удара ножа по стволу растительности.

Рис. 3. Диаграмма, показывающая величину крутящего момента на валу ротора

Лабораторная установка работает следующим образом. Исследуемый ствол древесно-кустарниковой растительности при помощи клиньев жёстко крепился в вертикальном положении в гнездах на тележке 1. По результатам проведенных исследований наиболее часто на каналах мелиоративных систем встречается древесно-кустарниковая растительность таких пород, как береза, осина, верба, ива, лоза, которые чаще всего закрепляются на откосах самосевом и растут достаточно быстро. Поэтому для проведения исследований были использованы свежесрезанные стволы лозы и березы, находящиеся в стадии вегетации. Подбирались стволы диаметром 30 ± 0,1мм или при необходимости обрабатывались до этого диаметра. Измерения производились штангенциркулем ГОСТ 166-80 с ценой деления 0,1 мм по трем диаметрам под углом около 120°. За окончательное принималось среднее арифметическое трех измерений. Длина образца принималась равной 150 ± 5 мм.

После запуска установки электродвигатель 8 через ременную передачу приводил во вращение вал 7 с ротором 3, на котором шарнирно прикреплены ножи 2. В это время тележка 1 с образцом растительности, приводимая в движение приводом, перемещается. При подходе образца к ножам они срубали исследуемый образец растительности. В результате импульс, возникающий при срезании, поступал на измерительную аппаратуру.

Для того чтобы определить экспериментальную область факторного пространства, использовали результаты, которые были получены при проведении однофакторных поисковых экспериментов. Также учитывали то обстоятельство, что при решении задачи оптимизации необходимо выбирать для первой серии опытов такую область, при которой будет обеспечена возможность для шагового движения к оптимуму [10].

При проведении поисковых исследований определялись рациональные интервалы варьирования факторов и степень их влияния на протекание технологического процесса. Осуществлялось исследование процесса срезания кустарниковой растительности.

В качестве параметра оптимизации, по которому оценивался процесс срезания кустарниковой растительности, было принято значение крутящего момента на валу ротора Т. Эта величина позволяет путем несложных вычислений перейти к таким показателям, как мощность, затрачиваемая на срезание, и усилие сопротивления срезанию.

По результатам проведенных поисковых экспериментов были установлены следующие рациональные интервалы варьирования факторов при срезании кустарниковой растительности: угол заточки режущих кромок ножей - 20-40є, угол расхождения режущих кромок ножей - 0-75є, поступательная скорость перемещения режущего аппарата - 0,5-1 м/с, частота вращения ротора с ножами - 1000-2000 мин^-1.

Срезание кустарниковой растительности является сложным технологическим процессом. В протекании этого процесса участвуют и взаимодействуют много факторов. При изменяющихся условиях протекания процесса задача оптимизации факторов является достаточно сложной [11]. Однако ее решение можно значительно ускорить путем применения специальных методов планирования эксперимента и получением математической модели объекта исследований [12, 13, 14].

После проведения отсеивающих экспериментов были выделены существенные факторы и оценены величины их эффектов. Наиболее существенное влияние на параметр оптимизации процесса срезания оказывают следующие факторы: угол заточки режущих кромок ножей, угол расхождения режущих кромок ножей и частота вращения ротора.

Для того чтобы определить оптимальное сочетание выделенных факторов, были проведены эксперименты согласно матрице планирования полного факторного эксперимента 2³. После проведения экспериментов проводилось крутое восхождение по поверхности отклика. Полученная линейная модель неадекватно описывала процесс срезания, поэтому далее проводили крутое восхождение по поверхности отклика и описание почти стационарной области уравнением второго порядка, которое учитывает кривизну поверхности отклика.

Для описания области оптимума уравнениями второго порядка был выбран трехуровневый план второго порядка Бокса-Бенкина [12] для трех факторов, состоящий из 15 опытов. Опыты проводились с трехкратной повторностью в рандомизированном порядке. Интервалы и уровни варьирования факторов приведены в таблице, которая составлена с учетом непараметрических методов статистики [15].

Таблица. Уровни и интервалы варьирования выделенных факторов

Наименование факторов	Обозначение	Интервал варьирования	Уровни варьирования
			нижний (-1)	основной (0)	верхний (+1)
Угол заточки режущих кромок ножей б, град	х1	5	20	25	30
Угол расхождения режущих кромок ножей в, град	х2	20	37,5	57,5	77,5
Частота вращения роторов n, мин-1	х4	100	1500	1600	1700

3.Основная часть

Обработка экспериментальных данных проводилась на компьютере при помощи пакета прикладных программ MicrosoftOfficeExcel. В результате обработки экспериментальных данных были получены уравнения регрессии в кодированной и натуральной формах. Проведенный анализ показал, что полученная математическая модель адекватно описывает поверхность отклика. В кодированной форме уравнение имеет вид:

Для интерпретации результатов уравнения (1) и возможности его использования в качестве расчетной формулы было произведено его раскодирование по общепринятой методике [12. 14]. В результате получили уравнение (2) в натуральной форме следующего вида:

В результате канонического преобразования математической модели определили вид поверхности отклика. Поверхность отклика представляет собой трехмерный параболоид. Анализ полученной поверхности проводили с помощью двухмерных сечений. Для получения двухмерного сечения поверхности отклика, характеризующего величину крутящего момента на валу ротора в зависимости от угла заточки режущих кромок ножей (х₁) и частоты вращения роторов (х₄), подставляли в уравнение (1) значение х₂ = 0. В результате получили следующее уравнение:



Координаты центра поверхности определяли, продифференцировав уравнение (3) и затем решив полученную систему уравнений:

Тогда: х_1S = 0,95; х_4S =0,279. Значение величины крутящего момента на валу ротора в центре поверхности Y_S = 0,114 кН·м получили, подставляя значения новых координат центра поверхности х_1S и х_4S в уравнение (3). Затем проводили каноническое преобразование уравнения (3). Для этого решали характеристическое уравнение:

.

Собственными корнями данного характеристического уравнения будут: В_1,1 = 0,021; В_4,4 = 0,025. Тогда уравнение в канонической форме будет иметь вид:

.

Для построения двухмерных сечений в уравнение (6) подставляли различные значения величины крутящего момента Y. В результате получали уравнения соответствующих контурных кривых эллипсов. В совокупности все эти кривые представляют собой семейство сопряженных эллипсов линий равного значения величины крутящего момента (рис. 1, 2, 3).



Рис. 4. Двухмерное сечение поверхности отклика для факторов х₂ и х₄

Аналогично осуществляли построение остальных двухмерных сечений. Результаты промежуточных расчетов приведены ниже. При х₄ = 0:

. (7)

х_1S = 0,841; х_2S = 0,543; В_1,1 = 0,024; В_2,2 = 0,016.

.

При х₁ = 0:

.

Х_2S = 0,752; х_4S =0,314; В_2,2 = 0,026; В_4,4 = 0,018. .

Рис. 5. Двухмерное сечение поверхности отклика для факторов х₂ и х₄



Рис. 6. Двухмерное сечение поверхности отклика для факторов х₂ и х₄

экспериментальный роторный косилка

Анализируя фигуры двухмерных сечений поверхности отклика (рис. 4, 5, 6), получили экспериментальные уровни факторов, влияющих на срезание кустарниковой растительности роторной косилкой с минимальными затратами энергии. Рисунки 4, 5 и 6 показывают, что область оптимума исследуемых факторов находится в следующих пределах: угол заточки режущих кромок ножей  20-23°; частота вращения ротора 1600-1650 мин¹; угол расхождения режущих кромок ножей 65-68°.



Заключение

В результате реализации экспериментальных исследований, включающих в себя отсеивающие опыты, крутое восхождение и описание почти стационарной области, получено уравнение регрессии, описывающее процесс срезания кустарниковой растительности. Установлено, что при принятых пределах варьирования исследуемых факторов и используемой точности измерений на величину крутящего момента на валу ротора при срезании древесно-кустарниковой растительности усовершенствованными ножами роторной косилки наибольшее влияние оказывают угол заточки режущих кромок ножа, угол расхождения режущих кромок ножа и частота вращения ротора. Полученные результаты могут служить основанием для проектирования роторных режущих аппаратов с ножами предлагаемой конструкции при срезании кустарниковой растительности.



Литература

1. Титов, В.Н. Определение характеристики древесно-кустарниковой растительности на каналах мелиоративных систем / В.Н. Титов, К.А. Гуцанович // Мелиорация. - 2009. ? №1(61). ? С. 222?228.

2. Кондратьев, В.Н. Особенности конструкций отечественных и зарубежных косилок для ухода за мелиоративными системами / В.Н. Кондратьев // Мелиорация переувлажненных земель. - 2007. ? №1. ? С.31?39.

3. Корнилович, Р.А. Совершенствование режущего аппарата ротационной косилки: дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Р.А. Корнилович. ? М., 2007. ? 156 с.

4. Мажугин, Е.И. Машины для эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных объектов: пособие / Е.И. Мажугин. - Горки: БГСХА, 2010. - 333 с.

5. Нож роторной косилки: пат. 5809 Респ. Беларусь, МПК A 01D 34/01 / В.А. Шаршунов, Е.И. Мажугин, С.Г. Рубец; заявитель Белорус. гос. с-х. академия. № u 20090403; заявл. 19. 05. 09; опубл. 30. 12. 09 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. - 2009. - №6. - С.148.

6. Мажугин, Е.И. Секторный нож роторной косилки / Е.И. Мажугин, С.Г. Рубец // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сборник научных работ Междунар. науч.- техн. конф., Брянск, 22 - 24 февраля 2011 г. / ФГОУ ВПО Брянск. гос. с-х. академия; редкол.: А.А. Тюрева [и др.]. - Брянск, 2011. - С. 31-35.

7. Резник, Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н.Е. Резник. - М.: Машиностроение, 1975. ? 311 с.

8. Мартынов, В.М. Геометрия ножа ротационного режущего аппарата / В.М. Мартынов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - №3. ? С. 34?36.

9. Новиков, Ю.Ф. Теория и расчет ротационного режущего аппарата с рубящими рабочими органами / Ю.Ф. Новиков // Сельхозмашина. - 1957. ? №8. ? С. 3?8.

10. Фомин, В.И. Обоснование параметров косилочного режущего аппарата сегментно-дискового типа: автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.20.01 / В.И. Фомин. - Ростов н/Д., 1963. ? 22 с.

11. Шаршунов, В.А. Как подготовить и защитить диссертацию / В. А. Шаршунов. - Минск: Мисанта, 2006. - 404 с.

12. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Л.: Колос, 1976. - 168 с.

13. Листопад, И.А. Планирование эксперимента в исследованиях по механизации сельскохозяйственного производства / И.А. Листопад.- М.: Агропромиздат, 1988. - 88 с.

14. Бохан, Н.И. Планирование эксперимента в исследованиях по механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства / Н.И. Бохан, А.М. Дмитриев, И.С. Нагорский. - Горки, 1986. - 79 с.

15. Холендер, М. Непараметрические методы статистики / М. Холендер, Д. Вульф. - М.: Финансы и статистика, 1995. - 136 с.

Размещено на Allbest

...