Тяговое сопротивление технологических машин и орудий.

Сопротивление, возникающее при перемещении технологических машин под действием тягового усилия трактора, называется тяговым или рабочим сопротивлением. При работе машин тяговое сопротивление изменяется в широких пределах, является одним из важных эксплуатационных показателей машин и складывается из следующих основных величин:

– сопротивления от сил трения качения ободьев колес о грунт, сил трения скольжения рабочих поверхностей машин об обрабатываемый материал и сил трения между отдельными механизмами машин R_тр;

– сопротивления резанию и крошению обрабатываемого материала R_р.к;

-сопротивления, затрачиваемого на отбрасывание отдельных частиц обрабатываемого материала R_к.э;

- сопротивления подъему R_под;

- сопротивления сил инерции, возникающих при неравномерном движении машины R_{с.и .}.

Таким образом, в общем виде баланс сопротивления машин можно выразить в следующем виде

R _т = R_тр+R_р.к+R_к.э ± R_под ± R_с.и, кН.

Основная подготовка почвы. Для основной подготовки почвы применяются различные виды плугов, тяговое сопротивление которых зависит от физико-механических свойств почвы, ее влажности, степени задернения, глубины вспашки, ширины захвата плуга, формы и состояния рабочей поверхности отвала, веса плуга, его скорости движения и т.п.

Тяговое сопротивление плуга складывается из сил трения скольжения и качения при его движении (вредное сопротивление), сил резания и крошения  почвы, сил на отбрасывание пласта. При работе плуга на открытых площадях и на раскорчеванных вырубках его тяговое сопротивление рассчитывается по формуле В.П.Горячкина, которая представляется в следующем виде

R _пл = М_пл × g × f _т +К _п × а × b × n+ e × а × b × n × V ², Н,

где М _пл – масса плуга, кг;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

f _т– коэффициент трения почвы о металл;

К _п – удаленное сопротивление почвы, Н/см²;

а – глубина вспашки, см;

b – ширина захвата корпуса плуга, см;

n – количество корпусов;

e - коэффициент динамической пропорциональности, Н×с²/м⁴;

V – рабочая скорость движения, м/с.

Коэффициент трения f _т зависит от типа почвы и принимается равным 0,25…0,8; удельное сопротивление почвы может быть принято: для легких почв – К _п=2,0…3,5 Н/см²; для средних – К _п=3,6…5,5 Н/см²; для тяжелых - К _п=5,6…8,0 Н/см²; для очень тяжелых К _п>8,1 Н/см².

Первое слагаемое тягового сопротивления плуга представляет собой сопротивление, расходуемое на преодоление сил, препятствующих передвижению плуга, и сил трения рабочих органов о почву (вредное сопротивление); второе – на резание и крошение почвы; третье - на отбрасывание пласта за счет кинетической энергии. Для практических расчетов тяговое сопротивление плуга можно определять по упрощенной формуле

R _пл = К × а × b × n, Н,

где К – удельное сопротивление плуга, Н/см².

Удельное сопротивление плуга на 20 % выше, чем удельное сопротивление почвы, т.е. К =1,2 К _п.

Дополнительная обработка почвы. Тяговое сопротивление борон, культиваторов, рыхлителей, лущильников и т.п. при сплошной обработке почвы определяется по формуле

R _м = К ₁ × В _р, Н,

где К ₁– удельное сопротивление машины, Н/м;

В _р – рабочая ширина захвата, м.

Удельное сопротивление машины зависит от типа рабочих органов орудия и колеблется в пределах К ₁ = 400…8000 Н/м.

Рабочая ширина захвата культиваторов при междурядной обработке почвы (кроме строчно-ленточной схемы посева) определяется по формуле

В _р = m_р × (b_м–2е), м,

где m _р – число рядов, обрабатываемых за один проход;

b _м – ширина междурядий, м;

е   – величина защитной зоны, м.

При однорядной обработке почвы m _р=1, а рабочая ширина захвата b _м равна ширине захвата культиватора.

 Тяговое сопротивление сеялки складывается из сил сопротивления сеялки при перемещении ее на колесах, сопротивления сошников и шлейфов, расположенных за ними, и сил трения в передаточных механизмах и высевающих аппаратах. Оно зависит от массы сеялки, типа почвы и ее состояния во время посева, конструкции сошников и их размещения.

В практических расчетах тяговое сопротивление сеялки определяется по формуле

R _с = М _с × g × f ¢ + S R_сош, Н,

где М _с – масса сеялки, кг;

f ¢ – коэффициент сопротивления сеялки;

S R_сош – суммарное сопротивление сошников, Н.

Коэффициент сопротивления перемещению при посеве составляет f ¢=0,12…0,15 для сеялок с пневматическим колесами и f ¢=0,18…0,25 – с металлическим колесами.

Сопротивление одного сошника зависит от типа сошника и глубины его хода. Оно составляет R _сош=20…125 Н.

Тяговое сопротивление лесопосадочной машины при проведении посадочных работ в древесно-декоративных питомниках складывается из:

– сопротивлений на прорезание посадочной щели сошником (для сошников с рыхлительными крыльями и от рыхления почвы около щели);

– сопротивлений от перемещения лесопосадочной машины;

–сопротивлений от действия заделывающих устройств;

– сопротивлений от трения в передаточных механизмах.

Тяговое сопротивление лесопосадочной машины рассчитывается по формуле

R _л.м = G_л.м × f _т × g + К_n × а × b × n, Н,

где G _л.м – масса машины, кг;

f _т– коэффициент трения металла машины о почву;

К _n – удельное сопротивление почвы, Н/см²;

а – глубина хода сошника, см;

b – ширина сошника, см; для сеянцев b =12…15 см;

для саженцев b =30…35 см;

   n – количество сошников.

Тяговое сопротивление землеройных машин при земляных работах на объектах озеленения выражается общей формулой

,

где: R_1РГ– сопротивление машины при её передвижении, Н,

, Н,

где G – масса машины, кг;

  G_к – масса грунта в ковше, кг, G_к учитывается только при работе скрепера;

  f – общий коэффициент сопротивления трению, равный 0,2…0,25;

  i – коэффициент сопротивления движению машины на подъеме (уклоне), ;

  a – угол наклона пути движения к горизонту, град;

g – ускорение силы тяжести, м/см²;   

  R_2РГ – сопротивление грунта резанию,

, Н,

где b_с – ширина срезаемого слоя, м;

  L – ширина захвата рабочего органа, м;

  K_р – коэффициент сопротивления резанию равный (10…12)×10⁴, Н/см²,

  R_3РГ – сопротивление призмы волочения,

, Н,

где Y – коэффициент высоты призмы: для скреперов Y =0,5…0,6; для отвалов Y =1;

с – высота грунта,равная высоте отвала или ковша, м;

g – средняя плотность разрыхленного грунта в период волочения равная (13…18)×10³ н/м³;

m – коэффициент трения призмы волочения равный 0,3…0,5,

R_4РГ – сопротивление внутреннего трения грунта,

, Н,

где                                                                                                           

a – ускорение скрепера при трогании с места, м/с².

R_5РГ – инерционные нагрузки, возникающие при перемещении массы грунта,

, Н,

где x=tg j(1+tg² j)

tg j – коэффициент внутреннего трения грунта.

j – угол внутреннего трения грунта, град. j =14…45 град.

Полное сопротивление при работе землеройных машин определяется соответственно для:

– бульдозерного оборудования

; Исправить

– скрепера

;

– грейдера

.

Тяговое сопротивление плужно-щеточного очистителя, возникающее при работе снежного плуга (отвала) включает:

– сопротивление снега срезанию,

R_рс = B· h_рс·K_рс, Н,

где B – ширина захвата отвала, м;

h_рс – средняя высота убираемого снега, м;

K_рс – коэффициент сопротивления снега срезанию, н/м².

– сопротивление перемещению призмы волочения снега

R_сп = m _пр · f₂ · sin(a + d)· g, Н,

Где m_пр – масса снега призмы волочения, кг;

f₂ – коэффициент внутреннего трения;

a – угол установки отвала, град;

  d=arctgf₁

f₁ – коэффициент трения снега о сталь;

– сопротивление перемещению снега вдоль отвала

R_пc = m_пр · f₁ · f₂ ·g· cos d cos a, Н;

– сопротивление движению рабочего органа

R_р = m_п (f₃ ± i_y) g, Н

Где m_п – масса снега призмы волочения, кг;

f₃ – коэффициент трения ножа плуга о снег;

i_y – уклон местности, i_y = sin b

b – угол уклона, град;

Почвообрабатывающие фрезы. Нож фрезы совершает поступательное движение со скоростью V и вращается с окружной скоростью U. Он входит в почву сверху, отделяет слой грунта (стружка определенных размеров и формы) и производит его измельчение.

Для обеспечения работы фрезы необходимо выполнять условие

N_т > N_потр, кВт,

где N_т – мощность трактора, кВт;

N_потр – потребная мощность для работы фрезы, кВт.

В общем виде потребная мощность определяется из выражения

N_потр = N_дв+N_рез+N_отбр, кВт,

где N_дв – мощность, необходимая на продвижение фрезы в заглубленном положении, кВт;

N_рез – мощность, необходимая для резания грунта, кВт;

N_отбр – мощность, необходимая на отбрасывание почвенных частиц, кВт.

В развернутом виде потребная мощность фрезы записывается в следующем виде:

, кВт,

где G_ф – сила тяжести фрезы, Н;

f – коэффициент трения металла о почву, древесину;

V – скорость движения трактора, м/с;

К_п – удельное сопротивление почвы резанию, Н/м²; К_п =2×10⁴…6×10⁴, Н/м²;

а – глубина фрезерования, м;

b – ширина захвата фрезы, м;

U – окружная скорость фрезерного барабана, м/с;

К_отбр – коэффициент отбрасывания почвы рабочими органами;

G_отбр – сила тяжести грунта, отбрасываемого рабочими органами за время t, Н;

t – время подхода к почве очередного рабочего органа, с.

Сила тяжести G_отбр определяется из выражения

G_отбр = g × а × b × (U-V) × t, Н,

где g - удельная сила тяжести почвы, Н/м³. g =20×10³…25×10³, Н/м³.

Время подхода очередного рабочего органа определяется по формуле

, с,

где    z – количество ножей на диске фрезерного барабана, шт;

n – частота вращения фрезерного барабана, об/с.

Расчет потребной мощности фрезы N_потр дает возможность подобрать тип трактора.

Мощность, необходимая на перерезание нежелательной растительности и фрезерование пней, подсчитывается аналогично выше приведенному расчету по подготовки почвы. Однако, при расчете необходимо учитовать мощности на резание древесины и ее отбрасывание.

Мощность, необходимая на резание древесины, определяется по формуле

, кВт,

где К_р – удельное сопротивление древесины резанию, Н/м²; К_р =12×10⁴...22×10⁴, Н/м²;

d – средний диаметр срезаемой древесины, м;

d _d - диаметр фрезерного барабана, м;

n_cтв – количество стволиков срезаемой древесины на 1 м ширины захвата, шт;

e - коэффициент, учитывающий неодновременность процесса перерезания стволиков; e =0,4…0,5.

Мощность, необходимая на отбрасывание древесных частиц, определяется по формуле

, кВт,

где K_отбр     – коэффициент отбрасывания древесины рабочими органами;

  К_отбр =0,5…0,8;

G_отбр – сила тяжести древесины, отбрасываемой рабочими органами за время t, Н.

Сила тяжести древесины, отбрасываемой рабочими органами в единицу времени, определяется из выражения:

G_отбр = g × d × d _d × n × e × (U-V) × t, Н,

где g – удельный вес древесины, Н/м³; g =4×10³…8×10³ Н/м³.

С целью уменьшения вредных сопротивлений, возникающих при работе машинно-тракторных агрегатов, необходимо:

–  режущие кромки рабочих органов всегда поддерживать острыми. Для этой цели целесообразно применять самозатачивающиеся рабочие органы;

–   металлические колеса рабочих машин заменять на пневматические;

– систематически смазывать трущиеся части и регулировать зазоры в передаточных механизмах;

–  правильно устанавливать прицеп к машинам или навесную систему трактора, чтобы линия тяги совпадала с линией сопротивления;

– подготавливать площади работ, удаляя с поверхности различного рода препятствия;

– там, где позволяют агротехнические требования, выбирать рабочие гоны в направлении уменьшения уклона обрабатываемой площади.