LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 15
(всего 28)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

d?
?2

Траектория рабочего органа представляет собой удлиненную циклоиду ( ? > 1 ),
описываемую в параметрическом виде системой уравнения [9, c.239].
?? ??
x = R ? + cos ? ? ?
?? ? ?. (22)
z = R(1 ? sin ? ) ? ?
Используя уравнения траектории, интеграл (21) нетрудно вычислить в явном ви-
де. Однако применение современных математических пакетов типа Mathcad, делает это
нецелесообразным, т.к. проще воспользоваться исходной формулой. Аналогичное за-
мечание можно сделать по поводу интеграла (17), который обычно рекомендуется вы-


Приведенная в [8, c.250] формула для вычисления ? 2 , не совпадает с (21), так как является приближенной и,
4

кроме того, избыточной по параметрам.
117
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.


числять по приближенным формулам путем разложения подынтегральной функции в
ряд [5, c.147]. В этом случае, помимо простоты, утрачивается также точность.




Рис. 4. Траектория ротационного ножа

Вычислив объем стружки по формуле:
V = Абокb , (23)
запишем выражение удельной площади резания (15) в виде:
l p b + Абок lp 1
k п. уд = = +. (24)
Абокb Абок b
Сила сопротивления качению агрегата F f определяется по формуле:
F f = f on k v (v п )(G a ? Fz ) , (25)
где Ga - вес агрегата; f on - коэффициент качения; Fz - выталкивающая (выглуб-
ляющая) сила ротора; k v (v п ) - поправочный коэффициент влияния скорости движения
на сопротивление качению агрегата, по структуре аналогичный коэффициенту kvp (15).
Толкающее усилие ротора Fx расходуется на преодоление силы сопротивления
качению F f и сил сопротивления пассивных (п) рабочих органов, расположенных впе-
реди (пп) и (или) сзади (пз) ротора:
Fx = F f + Fx. п = F f + Fx. nп + Fx. пз . (26)
Характерной особенностью ротационных машин является влияние расположе-
ния пассивных рабочих органов относительно ротора-движителя на энергоемкость фре-
зерования. Если пассивные рабочие органы расположены сзади ротора, то это никак не
может повлиять на энергоемкость процесса фрезерования. Они могут только снизить
толкающее усилие ротора, до уровня, задаваемого условием (26). Вертикальная состав-

118
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.


ляющая силы сопротивления Fz . пз , направленная, как правило, вниз, помогает компен-
сировать выталкивающую силу ротора.
Пассивные рабочие органы (например, культиваторные лапы) установленные
впереди ротора, выполняют те же функции. Однако, помимо этого, они, разрыхляя поч-
ву перед ротором, существенно снижают сопротивление резанию почвы. Поэтому в
выражение энергоемкости процесса резания почвы(16) необходимо ввести дополни-
тельный поправочный коэффициент (точнее функцию) k r , учитывающий эффект пред-
варительного рыхления почвы:
E р. уд = K p = k pl k v k п. уд k r . (27)
На основании экспериментальных исследований [8, c.272], аргументом попра-
вочной функции предложено принять коэффициент полноты рыхления k np , равный от-
ношению площадей поперечного сечения обработанных слоев почвы лапами и рото-
ром. Там же приведены 4 опыта по определению удельного сопротивления резанию K p
для двух крайних значений коэффициента k np - нуля и единицы. Естественно, эмпири-
ческое уравнение, полученное на основе этих данных, не может быть выше первого
порядка.
В связи с тем, что при увеличении коэффициента полноты рыхления, его влия-
ние на сопротивление резанию будет уменьшаться, с известным нарушением строгости,
можно записать:
k r (k np ) = exp( ?µk np ) , k np < 1,1 (28)
Коэффициент µ , определенный по граничным значениям k np (0 и 1), равен 0,635.
Тогда k r (1) = 0,53, т.е. при коэффициенте предварительного рыхления, равном единице,
удельная энергоёмкость резания уменьшается почти в 2 раза. Будем полагать, что уве-
личение величины k np свыше 1,1 не приводит к дальнейшему уменьшению поправоч-
ного коэффициента k r (рис. 5).




Рис. 5. К определению поправочного коэффициента, учитывающего предвари-
тельное рыхление почвы



119
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.



Графики зависимостей показателей агрегатов с фрезерными машинами – движи-
телями от величины подачи на нож S и скорости поступательного движения v п , при
расположении пассивных рабочих органов впереди (сплошные линии) и сзади (пунк-
тирные линии), приведены на рис. 6-11. Кривые построены при значениях коэффициен-
та сопротивления5 k p = 6 кН/м, глубины обработки aф = 0,3 м, числа ножей n = 3 и ра-
диуса ротора R = 0,4 м.
Предварительное рыхление почвы культиваторными лапами существенно сни-
жает удельную энергоемкость фрезерования Еф. уд (рис.5 и 6). При больших подачах,
величина Еф. уд становится сопоставимой с энергоемкостью вспашки лемешным плугом
среднетяжелых почв – 50-70 кПа (кДж/м3) [5, c. 117]. Протекание зависимости удель-
ной энергоемкости от скорости движения агрегата для двух вариантов расположения
рабочих органов отличаются темпом их нарастания, причем в варианте с предваритель-
ным рыхлением он более медленный. В обоих вариантах имеет место существенное
влияние величины подачи на нож на удельную энергоемкость, особенно, в области ма-
лых значений S .
Следует иметь в виду, что коэффициент полноты рыхления, определяющий
энергоемкость фрезерования, не может задаваться произвольно. Он определяется пу-
тём решения уравнений силового и энергетического баланса, при заданном удельном
линейном сопротивлении культиваторных лап k л l . уд = k л (а л ) (Н/м), где а л = k np а ф - глу-
бина установки лап. Функциональная зависимость зачастую представляется в линейном
виде - k л (а л ) = k л . уд a л , где k л . уд - удельное сопротивление лап (Па)
Ширина захвата фрезы входит в уравнения её математической модели в качестве
постоянного множителя. Поэтому некоторые силовые и энергетические показатели
удобно использовать в виде удельных величин, отнесенных к 1 м ширины захвата ро-
тора.
Выталкивающее усилие ротора также может достигать достаточно больших зна-
чений (рис. 8), что способствует уменьшению затрат энергии на качение агрегата.
Одним из основных параметров проектируемого агрегата является потребная
мощность двигателя. Применение ротационных движителей позволяет, как видно из
рисунка 9, создавать агрегаты большой единичной мощности в малых габаритах.
Большое значение имеет правильный выбор круга выполняемых операций, которые мо-
гут значительно отличаться по величине подачи на нож S (например, работа в режиме
вспашки и фрезерования), оказывающей доминирующее влияние на величину потреб-
ной мощности двигателя.




Значение линейного коэффициента сопротивления почвы k p принято в середине интервала рекомендуемых
5


значений - 5…7 кН/м [10, c.110].
120
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.



Eф.уд,
кДж/м3 0,10



0,15


0,20




При S, м:
0,25

vп, м/с
Рис. 6. Зависимость удельной энергоемкости фрезерования почвы от величины
подачи на нож и поступательной скорости агрегата.




Рис. 7. Зависимость удельной толкающей силы ротора от величины подачи на
нож и поступательной скорости агрегата.
121
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.




Рис. 8. Зависимость удельного выталкивающего усилия ротора от величины
подачи на нож и поступательной скорости агрегата

Удельная энергоёмкость фрезерования почвы Eф . уд (отнесенная к 1 м3 обраба-
тываемого материала) является важным, но недостаточным критерием оценки энерго-
потребления. Ограниченность применения этого показателя обусловлена тем, что раз-
личные агрегаты проводят обработку почвы на разную глубину. В одном агрегате, на-
пример, фрезерном, рыхлящие лапы и ротор устанавливаются на разные глубины
обработки, определяемые коэффициентом полноты рыхления. В этом случае возникает
необходимость при определении энергоемкости процессов в технологической части
агрегата Е тех. уд , включающей активные и пассивные рабочие органы, введение эквива-
лентной (приведенной) глубины обработки.
Показателем энергоемкости выполнения основного технологического процесса
можно считать расход топлива, отнесенный к чистой (теоретической) производитель-
ности (рис. 10)
G
q0 = т (кг/га), (29)
W0
где Gт = g eд Pe - часовой расход топлива (кг/ч); g eд - удельный расход топлива
(кг/кВт ч), соответствующий допустимому коэффициенту использования мощности
двигателя; W0 = 0,36 bф v - чистая производительность агрегата (га/ч).
Известно, что классификация почв по трудности механической обработки по-
строена по величине удельного сопротивления при вспашке лемешными плугами

122
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.


k лп. уд [5, c. 117]. Применительно к ротационным машинам влияние линейного удельно-
го коэффициента сопротивления почвы k p на потребную величину мощности показано
на (рис. 10). Как и ранее, расчеты проводились для двух вариантов расположения пас-
сивных рабочих органов относительно ротора. Приняты следующие значения исход-
ных данных: поступательная скорость v = 1,5 м/с. подача на нож S = 0,25 м, глубина
обработки 0,3 м. Удельное сопротивления культиваторных лап принято пропорцио-
нальным k p .




Рис. 9. Зависимость потребной удельной мощности двигателя фрезоагрегата от
величины подачи на нож и скорости агрегата

При постоянной скорости v величина удельного расхода топлива q0 пропор-
циональна потребной удельной мощности двигателя (на метр ширины захвата ротора):
g eд ( Pe / bф )
q0 = . (30)
0,36v
Производительность агрегата в час сменного времени Wсм и погектарный расход
топлива q определяются по формулам:
Wсм = W0 ? см ; (31)
Q0 T0 + QповТ пов + Qпер Т пер + QостТ ост
q= , (32)
Wсм
где Q0 , T0 ; Qпов , Т пов ; Qпер , Т пер ; Qост , Т ост - расход топлива и затраты времени в
час в течение смены, соответственно на основной работе, на поворотах, переездах и на
остановках агрегата.
123
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.


Методики расчета составляющих времени смены и коэффициента использова-
ния времени смены ? см с достаточной полнотой приведены в литературе [12] и здесь не
рассматриваются.
Обобщающим показателем энергоемкости процессов, учитывающим количество
энергии, переносимой массой агрегата на единицу работы могут служить энергетиче-
ские затраты Е (МДж/га) при выполнении технологического процесса на единицу
площади [13]:
Е + Ет + Е м
Е = Еп + ж , (33)
Wсм

где Е п - прямые затраты энергии, выраженные расходом топлива, МДж/га; Е ж -
энергетические затраты живого труда МДж/ч; Е м Е т - энергоемкость соответственно
машин и энергетических средств, МДж/ч.




Рис. 10. Влияние величины подачи на нож и поступательной скорости фрезо-
агрегата на расход топлива, отнесенный к чистой производительности




124
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.




Рис. 11. Зависимость потребной удельной мощности двигателя фрезоагрегата от
коэффициента линейного удельного сопротивления почвы.

Прямые затраты энергии определяются по формуле:
Е п = q ? (? т + f т ), (34)
где q - погектарный расход топлива, кг/га; ? т - теплосодержание топлива,
МДж/кг; f m - коэффициент, учитывающий затраты энергии на производство топлива,
МДж/кг (для дизельного топлива ? m + f m = 42,7 + 10 = 52,7 МДж/кг).
Энергоемкость, приходящаяся на 1ч работы трактора, составляет:
? mp M m ? a m а тк + а тт ?
? ?,
Ет = + (35)
100 ? Т нт ?
Т зт
? ?
где M m и ? mp - масса энергетического средства и его энергетический эквива-
лент (для тракторов ? mp = 120 МДж/кг); а т , а тк , а тт - отчисления на реновацию, капи-
тальный и текущий ремонты энергомашины, %; Т нт и Т зт - нормативная и годовая за-
грузка энергомашины.
Аналогичным образом определяется величина Е м для сельхозмашин
( ? м = 104 МДж/кг).
Разработанная теория МТА с совмещением функций рабочей машины и движи-
телей позволяет провести сравнительный анализ энергоёмкости почвообрабатывающих
агрегатов различных типов в конкретных условиях эксплуатации.
Проведем сравнение показателей пахотных агрегатов на базе колесного трактора
класса 2 типа «Беларус 1221», имеющего массу 5200 кг.
Технологической частью традиционного пахотного агрегата служит трехкорпус-
ный лемешный плуг массой 500 кг и шириной захвата 1,05 м. Удельное сопротивление
125
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.


лемешного плуга принято равным 65 кПа, что приближается к верхней границе значе-
ний тягового сопротивления для среднетяжелых почв [5]. По условиям агротехники
скорость движения агрегата с лемешным плугом принята равной 2,6 м/с (9,4 км/ч).
Возможное ухудшение показателей агрегата вследствие движения правым бортом в бо-
розде не учитывается.
Предлагаемый агрегат с фрезерным плугом – движителем на базе трактора со
съёмным задним мостом (рис. 12) состоит из энергетической части массой М т ? М з . м ,
и технологической части, массой М м . Масса заднего моста с колесами составляет
М зм = 1300 кг, из них на шины приходится М ш = 250 кг. Удельную (отнесенную к 1 м
ширины захвата ротора) массу фрезоплуга, по аналогии с ротационным плугом ПР –
2,7 [5, c. 149], примем равной М м / bф = 650 кг/м..




Рис. 12. Схема фрезоагрегата:
1 – технологические колеса; 2 – ротационная машина – движитель

Для снижения энергоемкости процесса фрезерования впереди ротора установле-
ны рыхлящие лапы6. В табл. 1 приведен мощностной баланс агрегатов с двигателями
мощностью 86,6 кВт, при равном их коэффициенте загрузки и ширине захвата ротора
bф = 1,97 м.




6
Корректное сравнение фрезерного агрегата с расположением пассивных рабочих органов сзади
ротора возможно только с совокупностью заменяющих его однооперационных агрегатов. Этот вопрос
здесь не рассматривается,так как требует отдельного изложения.
126
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.


Таблица 1.

Обозна- Агрегат Агрегат
Составляющие баланса мощности, кВт чение с ЛП с ФП
Привод активных рабочих органов - 58,5

Привод пассивных рабочих органов Рпас 51,2 12,8
Привод технологической части агрегата Ртех 51,2 71,3
( Ртех = Рпас + Рф )
Мощность на качение агрегата 13,5 6,6
Pf
Потери мощности на буксование движи- 10,9 -
P?
телей трактора

Из таблицы следует, что мощность, затрачиваемая на качение агрегата с лемеш-
ным плугом, в два раза выше по сравнению с фрезерным агрегатом. Это обусловлено
снижением силы сопротивления качению за счет выталкивающей силы ротора.
При вычислении энергетического эквивалента силовой машины в агрегате с
фрезоплугом (ФП) ? * следует учитывать, что энергетический эквивалент шин
тр

( ? ш = 350МДж/кг) значительно выше соответствующей величины для трактора в це-
лом.
Величина ? * может быть вычислена с помощью соотношения:
тр

? тр М тр = ? * (М тр ? M ш . з ) + ? ш М ш. з . (36)
тр

Сравнение эксплуатационно–технологических и энергетических показателей
агрегатов приведено в табл. 2.
Удельная энергоёмкость непосредственно обработки почвы (т.е. технологиче-
ской части) фрезерного агрегата существенно выше по сравнению с традиционным.
Однако из-за отсутствия потерь на буксование и существенно меньшие затраты мощно-
сти на качение, уже на уровне выполнения основного технологического процесса,
удельный расход топлива на гектар q0 фрезерного агрегата ниже агрегата с лемешным
плугом.
Коэффициент использования времени смены ?см агрегата с лемешным плугом
ниже по сравнению с аналогичным показателем фрезерного агрегата. Это объясняется
необходимостью применения для агрегатов с лемешным плугом загонного способа
движения, непроизводительные затраты времени которого больше, чем у челночного
способа движения, применяемого для фрезерных агрегатов [12]. В результате разрыв
между агрегатами в погектарном расходе топлива еще более увеличивается.
Соотношение полных удельных энергетических затрат агрегатов Е , несколько
меньше соотношения погектарных расходов топлива и составляет 0,9. Это связано с
тем, что энергоемкость на 1 ч работы фрезерного агрегата (энергосредство плюс сель-
хозмашина) выше аналогичного показателя агрегата с лемешным плугом.




127
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.


Таблица 2.
Обозна- Агрегат Агрегат
Наименование показателей чение с ЛП с ФП
Ширина захвата, м 1,05 1,97
b
Скорость движения, м/с v 2,6 1,5
? см
Коэффициент использования времени 0,69 0,75
смены
Сменная производительность, га/ч 0,678 0,798
Wсм
Удельная энергоемкость фрезерования Еф . уд - 65,9
почвы, КДж/м3
Удельная энергоемкость процессов тех- Е тех. уд 65,0 80,3

<< Пред. стр.

страница 15
(всего 28)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign