Гидропривод рабочих органов картофелеуборочных машин

 

Гидропривод лемеха. На отечественных картофелеуборочных машинах широкое применение нашли корытообразные, секционные, трапециевидные и дисковые лемеха как с активным (колеблющимся) приводом, так и с пассивным. Колеблющиеся лемеха имеют ряд преимуществ по сравнению с пассивными: снижается тяговое сопротивление, лучше крошится почва, исключается сгруживание клубненосного пласта и заволакивание режущего лезвия корневищами.

Лемех, работая в тяжелой абразивной среде, подвергается воздействию случайной нагрузки, совершает подрезание пласта, крошение его и подачу на элеватор. Сила резания грунта лезвием R _л зависит от твердости почвы, толщины лезвия лемеха и длины лезвия лемеха;

 

R _л = R _cp slk _β,

 

где R _ср – среднее удельное сопротивление почвы резанию; s – толщина лезвия лемеха; l – длина режущей части; k _β – коэффициент трансформации угла при наклоне лезвия.

Сила деформации пласта;

R≤σ_bab,

 

где σ_b – сопротивление почвы сжатию; a – глубина подкапывания; b – ширина лемеха.

Сила динамического воздействия пласта на лемех;

 

Р _д = 2 ab ρ_n υ² sin α/2,

 

где ρ_n – плотность почвы; υ – скорость движения лемеха; α – угол между абсолютной и относительной скоростями.

Сила трения;

F _T = tg φ mg cosα.

 

Сила инерции лемех;:

Р _j = m _л gj.

 

где j – ускорение движения лемеха.

 

Таким образом, сила Т, требуемая на выполнение технологического процесса лемеха, будет складываться из следующих составляющих;

 

Т = R _л + R + R _д + F _TР + Р _j.

 

Для привода лемеха необходим гидромотор, который обеспечит преодоление нагрузки установившегося значения на лемехе и случайной, превышающей в 1,3 раза расчетную нагрузку. В схему гидропривода включены насос, гидромотор, предохранительный клапан, золотник, фильтр, трубопроводы, резервуар рабочей жидкости и дроссель.

Момент на валу гидромотора М _г зависит от нагрузки и определяется объемной постоянной q ₀, перепадом давления ∆ р и коэффициентом полезного действия η_гм, т.е.

М _г = 0,159 ∆ р q ₀ η_гм.

 

Количество жидкости, поступающее к гидромотору для обеспечения его работы,

Q = q ₀ n = (Q _H – ∑∆ Q) / n

 

где Q _H – расход жидкости, создаваемый насосом; ∑∆ Q – суммарные потери (∑∆ Q = ∆ Q _г + ∆ Q _р + ∆ Q _т; ∆ Q _г, ∆ Q _р и ∆ Q _т – потери в гидромоторе, распределителе и трубопроводах).

 

Совместные решение уравнений позволяет определить рабочие характеристики гидропривода в зависимости от технологических и эксплуатационных параметров лемеха;

 

R _cp slk _β + σ_bab + 2ab ρυ²sinα/2 + tg φ mg cosα – m _л gj =

= 0,159∆ p (Q – ∆ Q _г – ∆ Q _р – ∆ Q _т)/ nR,

 

где R _cp= k + k_Vυ;_рез – коэффициент удельного сопротивления почвы (k =1,2…2,0 МПа); k_V – коэффициент, учитывающий скорость внедрения лемеха (k_V =1 Н ∙ с/см³); υ;_рез – скорость резания (υ;_рез ≈ 0,65 м/с – по результатам опытов); s – толщина лезвия лемеха (s ≤1 мм); l – длина режущей части; k _β – коэффициент трансформации угла (k _β=0,63); σ_b – напряжение сдвига почвы (σ_b = 1…1,2 кПа); а – глубина хода лемеха; b – ширина лемеха (b= 590 мм); ρ – плотность клубненосного пласта (ρ=1300…1500 кг/м³); υ – скорость движения агрегата (υ=0,5…1,5 м/с); α – угол установки лемеха (α=21…26⁰); φ – угол трения (φ=25…30⁰); m – масса клубненосного пласта, находящегося на лемехе; m _л – масса лемеха; j – ускорение лемеха (j= 1,25 м/с²); ∆ Q _г= k _ут t ⁰ k _β Т – потери жидкости в гидромоторе; k _ут=0,03 см³/(С ∙ ⁰С) – коэффициент утечек (по результатам эксперимента); t ⁰ – температура жидкости, ⁰С; k _β – 0,0104 – коэффициент утечек в функции времени; Т – время работы, ч; ∆ Q _р = k _р∆ p; k _р=10,05 см³/(с∙МПа) – коэффициент потерь жидкости в распределителе;

∆ Q _т =∆ Q _ж + ∆ Q _тр – потери на сжатие и трение; ∆ Q _ж = (р _н - р _с) – потери расхода жидкости в трубопроводах; V ₀ – объем жидкости в трубопроводе нагнетания; Е _ж = k _Е / t –объемный модуль упругости жидкости, Е _ж = 1400 МПа; k _Е = 8000 МПа ∙ºС – температурный коэффициент сжатия, ∆ Q _тр = k _т(р _н - р _с) – потери на трение; k _т=3…4 см³/(с∙МПа) – коэффициент потерь на трение; n – частота вращения; R – радиус кривошипа.

По результатам расчета построена номограмма, которая позволяет определить параметры частоты вращения п, расход жидкости Q и перепада давления ∆ρ в зависимости от конструктивных и технологических значений лемеха и условий эксплуатации.

Рассмотрим динамику системы гидродвигатель – рабочий орган для привода гидродвигателя возвратно-поступательного действия, который связан непосредственно с массой механизма. Согласно схеме крепления движение лемеха можно рассматривать как колебания с ограничениями хода штока гидродвигателя возвратно-поступательного движения. При граничных условиях t=0, х =∆ и t= , х = - ∆, закон движения для текущего ξ и начального ξ₀ значений фазовых смещений;

х =

Амплитуда колебаний может быть найдена при разложении исследуемого процесса в ряд Фурье.

В промежутке между соударениями система списывается дифференциальным уравнением;

где b – коэффициент демпфирования; А _р – амплитуда колебания давления.

 

Момент сопротивления перемещению рабочего органа в зависимости от угла поворота ωt вала гидромотра описывается кусочно-прерывной функцией;

М _с (ωt) = r sin ωt sign (F _TP + F _CP + P _j),

где r – радиус кривошипа; υ_н – скорость движения; F _TP, F _CP, P _j – силы трения, выполнения технологического процесса и инерции движущихся частей.

 

Момент сопротивления на валу гидромотора;

 

М ₀ = М _с (ωt) + М cos2 ωt₀

 

где М – амплитуда периодической составляющей этого момента.

 

Гидропривод элеватора. На сельскохозяйственных машинах имеются рабочие органы, скорость которых необходимо согласовать со скоростью поступательного движения агрегата или изменять ее в зависимости от поступающей технологической массы. Расчет гидропривода для этого случая приведен на примере рабочего органа (элеватора) картофелеуборочного комбайна.

Скорость перемещения элеватора оказывает влияние на процессы подачи, переработки и сепарации подкопанной лемехами массы. По данным Г.Д.Петрова, коэффициент сепарации может изменяться в широких пределах: от 10 % на влажных почвах до 70 % на сухих почвах. Следует отметить, что скорость, превышающая 25 рад/с, улучшает сепарацию до 80 % и более, но в этом случае резко возрастает повреждаемость картофеля из-за отсутствия слоя почвы, смягчающие удары. Другим фактором при оптимизации параметров гидропривода рассматриваемого рабочего органа является потребляемая мощность основного элеватора, которая зависит от сил веса, трения и инерции, т.е.

где m ₁ – нагрузка на единицу длины элеватора; l – длина рабочей ветви элеватора; υ_эл - линейная скорость элеватора; R=Bhl γ – секундная загрузка клубненосной массой; В – ширина полотна элеватора: h – высота слоя на элеваторе; γ – удельный вес клубненосной массы; f (υ_эл) – нелинейная функция, учитывающая силы сухого трения; Q – расход жидкости; ∆ρ – перепад давления жидкости; η _г – КПД гидропривода.

 

Расход определяют по формуле;

 

Q = Q _н - Σ ∆Q,,

 

где Q _н – подача жидкости насосом;

∆ Q - потери расхода, Σ∆ Q =∆ Q _р+∆ Q _г +∆ Q _д +∆ Q _ж; ∆ Q _р= k _р(р _н - р _сл) – потери в распределителе;

k _р – коэффициент потерь; ∆ Q _г = k _утt – k _в Т – потери жидкости в гидромотре;

k _ут - коэффициент, учитывающий утечки в зависимости от температуры;

k _в – коэффициент, учитывающий утечки от времени наработки;

Т – часовая продолжительность эксплуатации;

∆ Q _д = μ F _{д -} k _д∆ р – потери жидкости на дросселирование; μ – коэффициент расхода; F _д – площадь окна дросселя регулятора; k _д – коэффициент дросселирования жидкости;

∆ Q _ж = ∆ Q _тр + ∆ Q _с – потери жидкости на трение и сжатие; ∆ Q _тр = k _р ∆ р

k _тр – коэффициент потерь на трение; ∆ Q _с = ∆ р

Е _ж – объемный модуль упругости жидкости.

 

Лабораторные исследования гидроприводов позволяют ориентировочно принять значения линеаризованных коэффициентов следующими: k _ут = 0,03 см³/(с∙ºС); k _в = 0,01; k _р = 10,05 см³/(с∙МПа); k _д =7 см³/(с∙МПа); μ=0,65; k _т = 3…4 см³/(с∙МПа); tg φ = 0,15.

По данным тензометрирования и полевых испытаний, для гидрофицированного картофелеуборочного комбайна КПК-3 получены экспериментальные значения мощности в функции угловой скорости, которая достаточно полно соответствует теоретическим показаниям.

Третьим фактором, влияющим на работоспособность гидропривода, является коэффициент полезного действия η_г.

Таким образом, по показателям сепарации почвы (%), КПД гидропривода, мощности можно обосновать оптимальные скоростной и нагрузочный режимы гидромотора основного элеватора и выделить зону целесообразного регулирования.

По результатам расчета и экспериментальным данным можно сделать выводы, что для обеспечения надежной работы гидропривода необходимо иметь рабочее давление в гидромоторе 9…10 МПа и расход жидкости не менее 1125 см³/с, что обеспечит работу не скоростях до 1,5м/с агрегата с глубиной подкапывания h ≤22 см. Резкое влияние на скорость движения элеватора оказывает изменение скорости движения агрегата и для обеспечения качественной сепарации почвы необходим значительный запас скорости элеватора.