Совершенствование конструкции фрезерной машины для нарезки гряд

Предложена математическая модель для компьютерных расчетов основных параметров рабочих органов машиныгрядообразователя – диаметров и частот вращения фрезерных барабанов. Выполнено компьютерное моделирование и проведены расчеты кинематических показателей работы машины – подачи на нож и степени крошения (толщины стружки, отрезаемой ножами фрезерных барабанов), а также энергетических показателей, действующих на фрезерные барабаны сил сопротивления почвы, крутящих моментов, а также мощности передаваемой через вал отбора мощности трактора. Описанная математическая модель работы машины учитывает различные почвенные условия. Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции машины путем оснащения привода заднего фрезерного барабана от гидромотор-редуктора.

В результате аналитических исследований определено, что для повышения качества обработки почвы и снижения энергетических затрат необходимо плавное регулирование частоты вращения заднего фрезерного барабана в пределах 150…200 мин‑1. Модернизированный фрезерный грядообразователь способен обеспечить качественное рыхление почвы на глубину до 12 см с измельчением пожнивных остатков и мульчирование поверхности поля зубьями заднего барабана под посадку картофеля, топинамбура в системе элитного семеноводства, а также нарезку гряд при возделывании моркови, салата и других овощей в открытом грунте для всех природно-климатических зон России.
В современных технологиях возделывания овощей одной из важных операций является нарезка гряд. Проведенные исследования грядовой и грядово-ленточной технологий показали их эффективность на почвах разных типов: суглинистых, легкосуглинистых и супесчаных. Грядовая и грядово-ленточная технологии устойчивы к неблагоприятным воздействиям окружающей среды.
Использование гряд позволяет повысить коэффициент размножения семенного материала, уменьшить количество вносимых пестицидов, что обеспечивает получение экологически чистой продукции.
Федеральным научным агроинженерным центром ВИМ совместно с Российским государственным аграрным университетом – МСХА имени К.А. Тимирязева разработана вухбарабанная фрезерная машина для образования гряд перед посадкой или посевом.
Проведенные испытания выявили, что данная машина выполняет технологический процесс нарезки гряд в соответствии с агротехническими требованиями на почвах легкого и среднего механического состава. В тоже время на более тяжелых, суглинистых и глинистых почвах крошение верхнего слоя почвы может оказаться недостаточным.
Цель исследований – разработать математическую модель для расчета кинематических и энергетических показателей работы фрезерной двухбарабанной машины для нарезки гряд.
Материал и методы. В исследовании были использованы методы математического анализа, моделирования, эксперимент.
Расчетная схема машины и действующих в работе внешних сил приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема машины и внешних сил, действующих при работе в продольно-вертикальной плоскости

Фрезерная машина включает раму с навеской и механизмом привода редуктора и цепных передач; передний фрезерный барабан с изогнутыми Г-образными ножами, вращающимися по ходу движения с частотой ω1; задний барабан с прямыми зубьями, вращающимися в противоположном направлении с частотой ω2; два бороздообразующих диска, формирующих откосы гряды; два опорных колеса на заднем брусе рамы для регулировки глубины обработки и высоты гряды. В результате технологического процесса образуется профилированное поле с трапециевидными грядами шириной по верху 1500 мм и бороздами глубиной до 185 мм, и шириной 300 мм.
Внешними силами при работе являются: сила тяжести G машины, силы реакции R1 и R2 при резании почвы ножами первого и второго фрезерных барабанов, силы сопротивления почвы на бороздообразующих дисках RБ, реакции почвы RK на опорных колесах машины.
Технологический процесс рыхления почвы на глубину a1 осуществляется передним фрезерным барабаном радиуса r1. Кинематические и энергетические параметры работы фрезерной машины зависят от типа и геометрии рабочих органов.
Подача на нож и максимальная толщина стружки, определяющие степень крошения почвы, равны

где формула    – показатель кинематического режима переднего фрезерного барабана при поступательной скорости v.
Результаты исследований. С учетом исходных данных проведено компьютерное моделирование работы переднего фрезерного барабана.
Исходные данные для расчета:
Глубина фрезерования a1 = 12…16 см, a2 = 5…6 см.
Ширина захвата машины B = 1,2…1,8 м.
Поступательная скорость машины v = 1,0…2,0 м/с.
Частоты вращения роторов
ω1 = 23,04 рад/с;
ω2 = 27,03 рад/с.
Радиусы фрезерных барабанов R1 = 0,235 м; R2 = 0,175 м.

Результаты проведенных расчетов показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Расчетные зависимости от скорости v машины
для переднего фрезерного барабана:
а) показателя λ кинематического режима;
б) максимальной толщины δ_max1 отрезаемой стружки

Для определения энергетических показателей работы фрезерной машины в составе тягово-приводного комбинированного агрегата необходимо учитывать все составляющие баланса мощности.
Составляющие сил сопротивления резанию почвы передним фрезерным барабаном равны (рис. 3):

Рис. 3. Схема сил, действующих на нож переднего фрезерного барабана
Для расчетов точка приложения равнодействующей R1 берется на расстоянии 0,5a от дна борозды, а величины углов для острых ножей фрез составляют ψ = 20° и ψʹ = 15°.
Мощность, передаваемая через ВОМ трактора на передний фрезерный барабан, зависит от свойств почвы и согласно равна

де a1 – глубина хода ножей фрезерного барабана, м;
B – ширина барабана, м;
v – поступательная скорость, м/с;
kp и ko – коэффициенты сопротивления резанию и отбрасыванию почвы, кПа и Н с2/м4;
η = 0,8…0,84 – КПД передачи (центрального и бортового редукторов).
Крутящий момент на переднем фрезерном барабане равен Мф1 = Nф1 / ω1, кН м.
Расчеты по формуле (4) проведены для различных почвенных условий, характеризуемых коэффициентами сопротивления: резанию почвы kp = 30…90 кПа и отбрасыванию почвы при фрезеровании kо = 5…8 Н с2/м4.
Окончательное крошение комков пласта почвы производит задний фрезерный барабан с прямыми зубьями, действие которых на комки почвы, отбрасываемые первым ротором, носит ударный характер с позиций механики дробления материалов (рис. 4).

Рис. 4. Схема ударного воздействия заднего ротора на комки почвенного пласта, отбрасываемые передним ротором

Действие ударной нагрузки от места контакта тел распространяется с конечной скоростью волны напряжений и деформаций. Напряжение в комке при ударе зуба со скоростью u = ω2r2, м/с (где ω2 – частота вращения, рад/с; r2 – радиус барабана, м), будет равно , Па (где E – модуль упругости, Па; ρ – плотность почвы, кг/м3).
Задавая предельное значение напряжения σВ разрушения почвы, Па, можно рассчитать критическое значение скорости удара, приводящего к крошению комков.
Расчетная зависимость критической скорости uKP удара от поступательной скорости v машины показана на рисунке 5.

Эта зависимость соответствует работе машины на суглинистой почве плотностью ρ = 1600 кг/м3 и модулем упругости E = 2,0 МПа, при прочности комков σВ = 0,3 МПа, при kB = 0,2.
С учетом обеспечения скорости uKP удара за счет окружной скорости u2 = ω2r2 зубьев заднего фрезерного барабана требуемая частота вращения заднего барабана должна быть равна

Проведенные расчеты крошения комков почвы различного механического состава (легкосуглинистой, среднесуглинистой и глинистой) показывают, что при поступательной скорости машины v = 1…2 м/с частота вращения заднего барабана должна иметь возможность плавной регулировки в пределах n2 = 150…200 мин‑1. Фрезерный грядообразователь при этом будет обеспечивать качественное рыхление почвы на глубину до 12 см с измельчением пожнивных остатков и мульчирование поверхности поля рабочими органами (зубьями) заднего барабана на глубину до 6 см под посадку семенного картофеля, топинамбура в системе элитного семеноводства, а также нарезку гряд при возделывании моркови, салата и других овощей в открытом грунте в соответствии с агротехническими требованиями.
Выводы
- В современных технологиях возделывания овощных культур наилучшее качество нарезки гряд обеспечивает двухбарабанная фрезерная машина.
 - Для регулирования качества крошения почвы при подготовке к грядовой посадке или посеву овощей в различных почвенных условиях необходимо плавное изменение частоты вращения заднего фрезерного барабана в пределах 150…200 мин‑1.
- Ž Привод заднего фрезерного барабана вместо цепной передачи следует оснастить гидромотор-редуктором.
Алдишин Н. В., докт. техн. наук, профессор,
Панов А. И., канд. техн. наук, доцент,
Мехедов М. А., канд. с.-х. наук, доцент,
Российский ГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева     f