Разработка комбинированного орудия КПГ-250М

3 КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА

3.1 Обзор и анализ конструкций машин, орудий и приспособлений

По набору выполняемых технологических операций комбинированные машины можно разделить на четыре группы:

1.  машины для совмещения основной и дополнительной обработки почвы;

2.  машины для совмещения операций предпосевной подготовки почвы;

3.  машины для совмещения основной и предпосевной обработки почвы с внесением удобрений;

4.  машины для совмещения предпосевной обработки почвы и посева.

Комбинированный агрегат РВК-3,6 предназначен для совмещения операций предпосевной обработки почвы и выравнивания поверхности поля. За один проход выполняется рыхление почвы, крошение почвенных глыб, выравнивание и прикатывание поверхностного слоя [4, 19].

Основной несущий элемент агрегата (рис. 3.1) — рама 1 прямоугольной формы, состоящая из передней и задней частей, соединенных болтами. На раме последовательно установлены С-образные рыхлители 18, разреженный каток-комкодробитель 17, второй ряд рыхлителей 14, две секции подпружиненного выравнивающего бруса 13, два пневматических колеса 9 и кольчатошпоровый каток 12.

Механизм регулировки глубины хода рыхлящих зубьев и подьема их в транспортное положение включает гидроцилиндр 3, продольную тягу 5 и поворотные рычаги 4 и 16.

Для регулировки глубины хода рыхлителей служит винт 20, соединенный с корпусом гидроцилиндра при помощи рычага 2.

Выравнивающий брус 13 через рычаги соединяется с рамой натяжными пружинами 11. Эти пружины позволяют регулировать давление бруса на почву.

Рис. 3.1 – Схема комбинированного полунавесного агрегата РВК-3,6

Пахотный комбинированный агрегат ПКА-2 предназначен для подготовки почвы под зерновые и пропашные культуры. ПКА-2 (рис. 3.2) состоит из навесного или прицепного плуга, шлейф-балки, установленной сбоку корпусов пол углом к направлению движения плуга, и катка-комкодробителя (кольчато-шпорового катка). Каток присоединяют сзади плуга при помощи специального кронштейна (поперечного бруса). Ширина захвата шлейф-балки и катка на 20-25 см больше захвата плуга, что способствует получению более ровной поверхности поля [19].

Рис. 3.2 – Схема пахотного комбинированного агрегата ПКА-2

При работе агрегата корпуса плуга оборачивают пласт. Шлейф-балка выравнивает гребнистую поверхность пашни и одновременно дробит малопрочные комья почвы. Каток-комкодробитель, двигаясь по выровненной поверхности, интенсивно дробит более прочные глыбы и, уплотняет взрыхленную плугом почву. Активному дроблению способствует расстановка кольчатых дисков катка на двух валах в шахматном порядке. Для большей компактности и повышения качества работы шлейф-балок целесообразно объединить с катком.

Выравниватель-измельчитель почвы ВИП-5,6 агрегат прицепной, предназначен для предпосевной обработки средних и легких по механическому составу почв под посев с.-х. культур. За один проход он измельчает почвенные комки, выравнивает микрорельеф поверхности поля и уплотняет верхний слой почвы.

Агрегат ВИП-5,6 (рис. 3.3) состоит из трех секций и имеет набор следующих рабочих органов: игольчатую мотыгу, выравнивающий подпружиненный брус, клинчато-зубчатый каток. Для транспортирования все секции соединяют одну за другой, а переднее опорное колесо регулируют так, чтобы мотыга и выравниватель не касались дороги [4].

Рис. 3.3 – Схема секции агрегата ВИП-5,6

Фрезерный культиватор КФГ-3,6 предназначен для предпосевной подготовки тяжелых и переувлажненных почв под посев риса, зерновых и других культур в зоне орошаемого земледелия. Культиватор снабжен фрезерным барабаном диаметром 350 мм, фартуком, приводом и механизмом регулировки глубины. Фрезы рыхлят почву на глубину до 10 см. Культиватор навешивают на трактор Т-150 К. Ширина захвата машины 3,6 м, производительность
2,8 га/ч [5].

Таблица 3.1 – Техническая характеристика агрегатов

Культиватор-плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-2-150 (рис. 3.4) применяют для плоскорезной обработки почвы на глубину 16—30 см при скорости 5—10 км/ч. Агрегатируется с тракторами класса 50 кН (К-700, К-701) при глубине рыхления 20—30 см и с тракторами класса 30 кН (Т-74, Т-150) при обработке на глубину 16—20 см [5].

После прохода орудия на поверхности остается 60 — 80% стерни, которая защищает почву от выдувания.

Орудие имеет раму сварной конструкции, на которой крепят два рабочих органа захватом по 160 см, два опорных колеса и механизм навески.

Рабочие органы состоят из стойки, к которой в нижней части присоединяется башмак. К башмаку крепятся Долото и два лемеха (левый и правый), установленные с углом раствора 100°. Левый и правый рабочие органы отличаются местом приваривания кронштейна упорного болта. Правильная установка рабочих органов будет, если упорный болт касается головкой нижней плоскости рамы, а лемехи образуют зону перекрытия.

Одно из двух отверстий стойки для крепления рабочего органа к раме имеет овальную форму (рис. 3.4), что позволяет регулировать угол резания и угол вхождения рабочего органа в почву в момент заглубления). При работе на твердых пересушенных почвах необходимо, чтобы носок лемеха был ниже наружной режущей кромки на 15—20 мм. Тогда в момент заглубления в почву будет входить сначала носок лемеха, а потом и весь рабочий орган. Регулируют угол резания упорным болтом на боковой поверхности стойки. Регулировочный болт должен касаться головкой нижней поверхности рамы, а контргайка — плотно прилегать к плоскости кронштейна. При таком креплении не будет сминаться резьба регулировочного болта.

Рис. 3.4 – Культиватор плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-2-150

При работе на песчаных и оптимальной влажности почвах лемехи рабочих органов должны быть в одной горизонтальной плоскости, параллельно раме.

Нижняя сторона лемехов и долота наплавлена твердым сплавом, что повышает срок их службы.

Левое и правое опорные колеса отличаются положением чистика. Колеса размещены правильно на раме, если чистик расположен со стороны рабочего органа. Расстояние чистика до обода колеса 2—5 мм.

Равномерную глубину рыхления и заглубления по ширине захвата регулируют винтовым механизмом опорных колес. Высота установки опорных колес относительно плоскости резания (дна борозды) должна быть на 2—3 см меньше заданной глубины рыхления.

При полном заглублении рабочих органов рама плоскореза должна быть параллельной поверхности поля. Перекос ее по ходу движения агрегата устраняется изменением длины верхней тяги навески трактора. Глубину рыхления по ширине захвата при одинаковой высоте опорных колес устанавливают изменением длины левого либо правого вертикальных раскосов навески трактора.

После регулировки плоскореза-глубокорыхлителя на заданную глубину обработки необходимо зафиксировать положение стоек опорных колес с помощью стопорных болтов (по одному на стойку). Это уменьшит вертикальные нагрузки на винтовой механизм опорных колес при работе орудия, а также повысит жесткость узла крепления опорного колеса к раме плоскореза.

Навесное устройство позволяет агрегатировать орудие с тракторами К-700 и Т-150. Для этого в кронштейнах рамы вварены присоединительные пальцы разной толщины, с разным расстоянием между ними. Наружные, более толстые, пальцы служат для агрегатирования с тракторами К-700, а внутренние, меньшей толщины, — для присоединения к тракторам Т-150, Т-74.

Для агрегатирования с тракторами К-700 или К-701 центральный раскос закрепляют в верхних отверстиях подкосов, а для работы с тракторами Т-150, Т-74 — в нижних. При этом место соединения раскоса с верхней тягой трак-

тора должно соответствовать ширине шарового шарнира, что достигается перестановкой центрального раскоса орудия на 180° вокруг горизонтальной оси.

Для работы с трактором К-700 распорную втулку между боковыми подкосами закрепляют в нижних отверстиях (рис. 3.4), а с тракторами Т-150 — в верхних.

Рациональные способы движения — загонный или челночный с выглублением рабочих органов в конце гона. Работа вкруговую с заглубленными рабочими органами приводит к поломке орудия или навесной системы трактора.

При движении агрегата в загоне рычаг гидрораспределителя должен находиться в плавающем положении, что обеспечивает копирование рельефа поля и исключает поломку агрегата.

Культиватор плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250 (рис. 3.5) агрегатируется с тракторами класса 30 кН (Т-150, Т-74) при рыхлении почвы на 20—30 см или с тракторами класса 14 кН (МТЗ-50, МТЗ-80) при обработке почвы на глубину до 16 см [4].

Рис. 3.5 — Культиватор-плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250

После прохода орудия остается 60—80% стерни. Плоскорез КПГ-250 имеет сварную раму, два рабочих органа захватом по 110 см, два опорных колеса и механизм навески на трактор. Регулировка угла резания, глубины обработки, чистиков и навесного механизма такие же, как и у КПГ-2-150.

При культивации на глубину до 16 см вместо двух лап захватом по 110 см устанавливают одну захватом 250 см на центральном продольном брусе. Для агрегатирования с тракторами «Беларусь» центральный раскос навесного устройства следует закрепить па нижних отверстиях боковых подкосов (рис. 3.5), а распорную втулку — на верхних с одновременным поворотом раскоса на 180° вокруг горизонтальной оси с тем, чтобы ширина паза между присоединительными пластинами соответствовала ширине шарового шарнира верхней тяги трактора.

Навесной механизм трактора размещают симметрично продольной оси и закрепляют по трехточечной схеме навески.

Рабочие органы плоскорезов-глубокорыхлителей КПГ-250 предназначены для работы на скоростях 5— 8 км/ч. С повышением рабочих скоростей до 10—11 км/ч на поверхности сохраняется 50—60% стерни. Ширина развальной борозды увеличивается до 40—50 см. После прохода орудия остается невыровненный, волнообразный фон.

Исследования, проведенные в УНИИМЭСХ, показали, что при смещении глубокорыхлительной плоскорежущей лапы за стойку на поверхности остается 70—80% стерни при обработке почвы на скоростях 9—11 км/ч. Столь высокий процент сохранения стерни при работе на повышенных скоростях получен за счет изменения взаимодействия пласта со стойкой плоскореза.

У производственного глубокорыхлительного рабочего органа лемехи расположены впереди стойки. Поэтому после схода пласта с долота и верхней кромки лемехов часть его попадает на переднюю лобовую и боковые поверхности стойки. В результате удара почва распадается по сторонам рабочего органа.

При смещении плоскорежущей лапы за стойку на образование развальной борозды наибольшее влияние оказывает передняя лобовая поверхность. Разрыхленный пласт после схода с лемехов уже не встречается с боковыми гранями стойки. Поэтому стерни повреждается меньше. Кроме того, смещение плоскорежущих лап за стойку позволяет исключить заклинивание пласта между рабочими органами и рамой орудия, поскольку плоскорежущие лапы расположены при этом за пределами контура рамы.

На черноземах, каштановых, темно-каштановых почвах степной зоны Украинской ССР твердостью 40 кН/м2 и более после прохода плоскореза-глубокорыхлителя образуются большие глыбы размером до 800 см2 и более. Для дробления их делают дополнительные проходы агрегатом с культиватором, кольчато-шпоровым катком, игольчатыми боронами.

Крошение пласта можно улучшить, а глыбистость поверхности уменьшить, если применять послойную обработку. Переоборудование производственных плоскорезов-глубокорыхлителей КПГ-250 для послойной обработки состоит в следующем. За стойкой приваривают пластину с отверстиями, к которой присоединяют плоскорежущую лапу культиватора КПП-2,2 (рис. 3.6) с помощью промежуточного звена.

Рис. 3.6 – Культиватор плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250, переоборудованный для послойной обработки почвы

Такое звено одним концом крепится к стойке, а вторым жестко к плоскорежущей лапе.

При глубине основной обработки 25—27 см культиваторная лапа должна идти на 10—14 см от поверхности. Ширина ее захвата 1150 мм хорошо согласуется с шириной захвата 1100 мм лапы для глубокого рыхления. Угол раствора культиваторной лапы 75°, а глубокорыхлящей 100°. Такое различие углов раствора лемехов способствует тому, что при работе комья почвы не заклиниваются между лапами верхнего и нижнего ярусов.

Большие комья смещаются вдоль лезвия верхней лапы в сторону наружной кромки и попадают в более широкий проход между лемехами.

Шарнирное крепление культиваторных лап к стойке уменьшает забивание рабочих органов.

Под воздействием переменной нагрузки на левую и правую части рабочего органа он колеблется в вертикальной плоскости. Вследствии этого почва лучше проходит между плоскорежущими лапами верхнего и нижнего ярусов.

Послойная обработка не только улучшает структуру разрыхляемого слоя, но и способствует более активному прорастанию семян сорняков, которые гибнут от морозов зимой либо уничтожаются при последующих культивациях.

Однако при шарнирном креплении культиваторной лапы к стойке движение ее по глубине неустойчиво и в месте прохода стойки образуется широкая развальная борозда.

При работе на повышенных скоростях 9—10 км/ч ширина борозды достигает 40—50 см, что снижает противоэрозионную эффективность послойного рыхления, а неровный поперечный профиль отрицательно влияет на последующую работу орудий.

Для улучшения качества послойной обработки целесообразно культиваторные лапы для рыхления верхнего слоя разместить впереди глубокорыхлительных рабочих органов. Культиватор КПГ-250 переоборудуют, перенеся опорные колеса с продольных брусьев на передний поперечный.

Рис. 3.7 – Культиватор плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250, переоборудованный для послойной обработки почвы, с лапами на двух стойках

На освободившееся место закрепляют рабочие органы культиватора КПП-2,2.

Культиватор-плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-2,2 отличается от КПУ-2,2 тем, что не имеет приспособления для внесения минеральных удобрений. Это прицепное орудие захватом 2,1 м заменяет плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250 и прицепной культиватор-плоскорез КПП-2,2, поскольку имеет два сменных комплекта рабочих органов: для глубокого рыхления на 20—30 см (две лапы захватом по 110 см) и мелкой поверхностной обработки на 8—16 см (две лапы захватом по 115 см) В ближайшее время эти орудия поступят в производство.

3.2 Обоснование принципиальной схемы проектируемого изделия

Разрабатываемый агрегат является комбинированным и разработан с целью сокращения технологических операций при обработке почвы для посева кукурузы.

Неравномерность глубины обработки рыхлительными лапами не должна превышать ±1 см. После культивации верхний слой почвы должен быть мелкокомковатым, а сорные растения – полностью подрезаны. Дно борозды и поверхность поля после обработки рыхлительными лапами должны быть ровными. Высота гребней взрыхленного слоя не должна превышать 3-4 см.

Производственный плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250 в своем обычном исполнении не в полной мере выполняет требования агротехники. Недостаточное крошение почвы в посевном слое обусловлено отсутствием в нем рабочих органов, хорошо разрыхляющих этот слой [ ].

С целью изыскания более эффективных рабочих органов для качественного рыхления с образованием мелкокомковатой структуры посевного слоя почвы работы на полях с пожнивными остатками, надежных и простых в изготовлении предлагается новое комбинированное орудие на базе КПГ-250 (рис. 3.8, 3.9), которое включает установленный сзади плоскорежущих лап фрезерный барабан, приводимый во вращение от ВОМ трактора и осуществляющий дополнительное качественное рыхление почвы на глубину заделки семян подсолнечника. Фрезерный барабан установлен на удлиненной раме КПГ-250 с помощью винтовых кронштейнов, обеспечивающих регулировку глубины обработки почвы. Привод фрезерного барабана осуществляется от ВОМ трактора через продольный вал, понижающий редуктор и поперечный вал с помощью цепной передачи двумя симметрично расположенными цепями.

Рис. 3.8 – Схема комбинированного орудия КПГ-250М (вид сбоку)

Рис. 3.9 – Схема комбинированного орудия КПГ-250М (вид сверху)

Рабочими органами фрезерного барабана (рис. 3.10) являются стрельчатые лапы, установленные на стойках, которые закреплены на валу барабана.

Рис. 3.10 – Фрезерный барабан в разрезе с рыхлительными рабочими органами

Применение переоборудованного культиватора КПГ-250М позволит одновременно производить глубокую и предпосевную обработки почвы, сокращая тем самым две технологические операции, осуществляемые после глубокой обработки почвы культиватором КПГ-250 или плугом.

3.3 Прочностной расчет

3.3.1 Расчет поперечного сечения стойки лапы фрезерного барабана

Культиваторные лапы установлены на стойках из стали 45. Длина стоек составляет а = 150 мм. Расчетная схема к определению поперечного сечения стойки лапы фрезерного барабана приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11 – Расчетная схема

Рассчитаем возникающее в опасном сечении стойки напряжение:

, (3.1)

где Ммах – максимальный изгибающий момент, Н·м;

Wx – осевой момент сопротивления, м3,

, (3.2)

, (3.3)

где m – ширина сечения, м;

h – высота сечения, м.

Обозначим отношение h/m = k, тогда формула (3.3) примет вид:

. (3.4)

После подстановки выражения (3.2) и (3.3) в условие прочности (3.1) и преобразований получим:

. (3.5)

Допускаемые нормальные напряжения для стали 45 определим по формуле:

, (3.6)

где [s] – допускаемые нормальные напряжения при изгибе, Н/м2;

sв – предел прочности стали 45, Н/м2 [20];

n – коэффициент запаса прочности,

[s] = 4,5·108/1,5 = 3·108 Н/м2.

Из формулы (3.5) выразим m:

. (3.7)

Принимаем k = 0,5, тогда при подстановке численных значений в формулу (3.7), получим:

(м),

h = 0,5m = 0,005 м.

С целью обеспечения необходимой жесткости стойки и возможности закрепления к ней лапы выбираем сечение стойки 10×30 мм.

3.3.2 Расчет болтового соединения

Рассчитаем диаметр болта для зажатия кронштейном фрезерного барабана стойки лапы. Размеры стандартных резьбовых изделий установлены из условия равнопрочности их элементов, поэтому расчет резьбовых соединений производится обычно по их главному критерию – прочности резьбового стержня. Диаметр болта должен обеспечить отсутствие его пластической деформации силами сжатия, вызванными затяжкой болта и реакцией кронштейна силу сопротивления почвы Р, действующую на лапу. Расчетная схема представлена на рис. 3.12.

Сила, сжимающая болты:

FБ = Р·a/b F, (3.8)

где Р – сила сопротивления почвы, действующая на лапу Н;

F – сила затяжки болта, Н,

Рис. 3.12 – Расчетная схема действия сил на болтовое соединение

FБ = 250 · 0,15/0,05 100 = 850 Н.

Внутренний расчетный диаметр резьбы болта, м:

, (3.9)

где [σр] – допускаемое напряжение сжатия, МПа [21],

м.

Из конструктивных соображений выбираем болты с диаметром резьбы 14 мм. Так как принятый диаметр болтов больше расчетного, то условие прочности выполнено.

3.3.3 Расчет сварного соединения

Сварные швы являются концентраторами напряжений, снижающими прочность деталей. В сварном соединении возникают значительные местные напряжения, которые в основном и влияют на работоспособность конструкций.

Необходимо обосновать параметры сварного шва, кронштейн с барабаном. Длина шва приварки (по чертежу) будет равна 20 мм, а толщина кронштейна составляет 6 мм.

Нагрузкой является сила излома кронштейна, приваренного к барабану.

Эта нагрузка будет растягивающей силой с одной стороны приваренного кронштейна для рассчитываемого сварного соединения. Сила растяжения равна:

РP = Р · (a с), (3.10)

где a – длина стойки, равная 150 мм;

с – ширина кронштейна, равная 50 мм (рис. 3.12),

РP = 250 ·(0,15 0,05) = 50 Н.

Условие прочности сварного шва под действием растягивающей силы (РР) определяется по формуле:

sр = РР/A=РР/hp·Lc £ [sр ], (3.11)

где A – площадь среза углового шва;

hp – расчетная толщина шва;

Lc – длина сварочного шва;

[sр ] – допускаемые напряжения [1].

Расчетная толщина сварочного шва зависит от расчетного катета углового шва k, равного катету вписанного в поперечное сечение шва равнобедренного прямоугольного треугольника: hp = k · b. Коэффициент b = 1…0,7 учитывает способ выполнения шва. Обычно принимается hp = 0,7 · k, что увеличивает запас прочности.

Предусматривается сварка односторонним швом ручным способом электродом Э42 А; допускаемое напряжение на разрыв сварного шва при допускаемом напряжении для материалов деталей [sр] = 70 МПа [21].

Следовательно, расчётная длина шва определяется по формуле:

LР = РР / [sр] · hp, м (3.12)

LР = 50 (70 · 105 · 0,7 · 2 ∙ 10 –3) = 0,005 м = 5 мм.

Поскольку фактическая длина шва LФ = 30 мм больше расчётной
LР = 5 мм, то сварочный шов надежен.

3.4 Технологический расчет почвообрабатывающего орудия

3.4.1 Расчет тягового сопротивления орудия

В результате того, что конструкция агрегата была изменена, необходимо правильно подобрать трактор, т. е. определить общее тяговое сопротивление, которое состоит из тягового сопротивления всех рабочих органов, входящих в его состав: плоскорезных лап и фрезерного барабана.

Тяговое сопротивление орудия рассчитывается по формуле [6,7]:

Р = Р1 Р2 (3.13)

где Р1 – тяговое сопротивление плоскорезных лап;

Р2 – тяговое сопротивление фрезерного барабана.

Тяговое сопротивление плоскорезных лап:

Р1 = B·q, (3.14)

где В – ширина захвата культиватора, м;

q – удельное тяговое сопротивление культиватора [23], кН/м,

Р1 = 5400∙2,5 = 13500 (Н). (3.18)

Тяговое сопротивление фрезерного барабана:

Р2 = K∙L, (3.15)

где K – удельное сопротивление фрезерного барабана, Н/м;

L – ширина захвата фрезерного барабана, м,

Р2 = 1000∙2,5 = 2500 (Н).

Общее тяговое сопротивление, в соответствии с формулой (3.13):

Р = 13500 2500 = 16000 (Н). (3.21)

Для агрегатирования агрегата КПГ-250М необходим трактор с тяговым усилием 30 кН. В перспективной технологии таким трактором является Т-153.

3.4.2 Расчет производительности агрегата

Производительность агрегата определим по формуле[6]:

W = 0,36·B·v, (3.16)

где W – производительность агрегата, га/ч;

В – ширина захвата агрегата, м;

v – скорость движения агрегата, м/с,

W = 0,36·2,5·2,2 = 1,98 га/ч.

3.5 Выводы по разделу

Выполненные прочностные и технологические расчеты подтверждают работоспособность предложенной конструкции почвообрабатывающего орудия.