3 Практическая работа № 3 проектирование рабочих органов лесной фрезерной почвообрабатывающей машины

1 Цель работы

Изучение методики расчета рабочих органов фрезерных почво­обрабатывающих машин и приобретение практических навыков по их проектированию.

2 Содержание работы

Практическая работа выполняется студентами самостоя­тельно во время аудиторных занятий в кабинете, оснащенном необхо­димыми методическими указаниями и наглядными пособиями.

3 Исходные данные и краткие методические указания по выполнению работы

По исходным данным, приведенным в таблице 3, и в соответствии с заданным вариантом необходимо на основе анализа авторских сви­детельств выбрать конструктивную схему фрезы и начертить ее кинематическую схему, выполнить расчет параметров фрезерного барабана и прочностные расчеты его вала и изогнутого ножа. По результатам расчетов вычерчиваются эскизы.

Если при выполнении работы появляется необходимость в допол­нительной информации, то она отбирается студентом самостоятельно по справочной и научно-технической литературе. В отчете следует помещать обоснование принятого решения и ссылку на источник.

3.1 Анализ авторских свидетельств

Целью патентного исследования является выбор конструкции дополни­тельного устройства, позволяющего повысить технический уровень почвообрабатывающей фрезы. Примерами таких устройств могут служить дисковые ножи для стабилизации хода фрезы в горизонтальной плос­кости (а.с. № 716529 ) и режущий орган для обработки почвы под редуктором фрезерного барабана по а.с. № 385545.

Копии описаний к авторским свидетельствам находятся на кафед­ре механизации лесной промышленности и лесного хозяйства и выдают­ся в начале выполнения работы индивидуально каждому студенту, При необходимости получения дополнительной информации можно восполь­зоваться патентным фондом Брянского ЦНТИ. По международной классификации изобретений фрезерные почвообрабатывающие машины имеют индекс AOI b33/02 .

Таблица 3 – Исходные данные

	Номер варианта
Показатель	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Глубина обработки, см	5	8	15	20	24	6	7	12	18	22	8	10	12	20	24
Подача на нож, см	8	12	4	5	6	6	5	4	12	8	12	4	5	6	8
Скорость движения, км/ч	3	2	1,5	2,5	3	2	3	2,5	3	1,5	2	1,5	3	2	2,5
Ширина захвата, м	0,6	1,2	0,8	1,5	1	0,8	1	1,5	2	1,8	1	0,8	1,2	2	1,5

Продолжение таблицы 3

	Номер варианта
Показатель	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
Глубина обработки, см	24	11	5	8	18	20	5	8	15	20	24	14	17	23	28
Подача на нож, см	8	8	12	4	5	6	5	4	12	8	4	6	8	4	3
Скорость движения, км/ч	2,5	3	2	1,5	2,5	3	2	3	2,5	1,6	3	3,5	2,8	2	3,2
Ширина захвата, м	0,6	1,2	0,8	1	1,5	2	0,8	1,5	2	0,9	1,1	1,3	0,8	0,7	1,5

Информация об использованных при выполнении работы авторс­ких свидетельствах и патентах заносится в таблицу 4.

В ходе анализа отобранной патентной документации необходимо выявить достоинства и недостатки каждого изобретения и обосновать возможность использования предложенных в них конструктивных решений для повышения технического уровня базового образца почвообрабаты­вающей машины.

В отчет по практической работе при выполнении данно­го раздела включаются краткие описания к авторским свидетельствам с эскизами и текст анализа.

3.2 Проектирование рабочих органов почвообрабатываю­щей фрезы

При оформлении данной части отчета следует все расчеты про­водить в единицах СИ. Формулы и вычисления должны сопровождаться рисунками, выполненными в масштабе.

3.2.1 Расчет параметров фрезерного барабана и ножей

Расчетная схема приведена на рисунке 7. Вычисления производятся в следующей последовательности:

Определение радиуса фрезерного барабана Rпроводится с учетом величины подачиS.

, (17)

где V - поступательная скорость движения машины;

t_s- время затрачиваемое на подход в поверхности поля очередного

ножа.

, (18)

где z - число односторонних (правых или левых) ножей на каждом диске

барабана; по конструктивным соображениям z = 2…4;

V₀ - окружная скорость рабочих органов.

, (19)

где  - соотношение между окружной и поступательной скоростью.

Величина определяет форму траектории движения ножа и высоту гребня на дне борозды. Чем больше, тем сильнее траектория по форме от трохоиды приближается к окружности и тем меньшеh_гр - высота гребней. Рекомендуется принимать = 8…15. Подставив формулы (18) и (19) в (17) получим

. (20)

Окончательно значение Rкорректируется из конструктив­ных соображений по условию, чтобыR  (1,25 …1,6)a.

Рисунок 7 - Схема к расчету параметров ножа

Таблица 4 – Патентная информация, отобранная для последующего анализа

Предмет поиска (название изобретения, полезной модели)	Страна выдачи, вид и № охранного документа	Классификация рубрики МКИ	Заявитель (автор), № заявки, дата приоритета	Сущность заявленного технического решения и цель его создания
1
2

3.2.2 Выбор параметров стойки ножа

Угол между лезвием стойки ножа и радиусом, проведенным через середину лезвия» рекомендуется с целью лучшего перерезания волокнистых включений в почве, самоочищения и уменьшения динами­ческих нагрузок принимать равным 30°.

Заточку стойки следует делать внутреннюю (со стороны отогнутого ножа) или в крайнем случае двустороннюю, так как внеш­няя заточка вызывает смятие необработанной почвы. Это приводит к дополнительным затратам энергии и быстрому износу ножа. Угол заточки рекомендуется брать в пределах 25°…30°.

Очертания лезвия стойки делают прямолинейными, конец закруг­ляют.

Ширина стойки ножа у основания С определяется из выра­жения

, (21)

где С- монтажный зазор,С= 0,008…0,01 м;

z_д = 2 z- общее количество ножей на диске;

r_д - радиус окружности для крепления ножей.

, (22)

где r- расстояние от края диска до окружности отверстий,r=0,02…0,03м.

Толщина стойки ножа определяется исходя из прочностного расчета.

Длина стойки ножа Lравна

, (23)

где L = 0,03…0,04 м.

3.3.3 Определение параметров крыла ножа

Угол отгиба крыла при внешней заточке

(24)

при внутренней заточке:

(25)

где - угол между радиусом R ,проходящим через наиболее удаленную

от центра фрезерного бараба­на точку N ножа и отрезкомl, соеди-

няю­щим ось М переднего болта крепления ножа с точкойN;

i - угол заточки крыла,i = 15…20°;

 (₀) - задний угол резания.

В соответствии с теоремой косинусов

, (26)

где l = L - (0,015 …0,02) м.

Величина угла изменяется от минимума в точке входа ножа в почву до максимума в самой нижней точке. Приращение угла  численно равно углу между касательными к трохоиде и окружности.

; (27)

; (28)

; (29)

. (30)

Подставив уравнения (28) и (29) в формулу (30) получим

. (31)

Из формулы видно, что чем больше  , тем меньше . Чтобы в момент входа в почву крыло ножа внешней стороной не касалось почвы, при расчетах принимают _min = 5…10°.

. (32)

Ширина захвата крыла ножа чаще всего равна 0,045…0,080 м, есть машины с шириной захвата 0,12…0,15 мм.

3.3.4 Определение параметров, характеризующих расположение

ножей на барабане

Расстояние между дисками в_в (м) равно:

в_в = 2 l_кр  (0,015…0,02), (33)

где l_кр - длина отогнутого крыла ножа, м.

Знак + ставится для фрез, диски которых снабжены предохранительными устройствами и поэтому между ножами сменных дисков есть зазор.

При жестком креплении ножи устанавливают с перекрытием. В формуле ставится знак -.

Диски с жестким креплением размещают так, чтобы рабочие органы по длине вала располагались со смещением 15°…30° (по спирали), симметрично, относительно продольной оси агрегата. Тогда крутящий момент имеет незначительные колебания, фреза обладает высокой устойчивостью и обеспечивает качественную обработку почвы.

При наличии предохранительных устройств порядок размещения ножей вдоль вала не играет роли, так как при срабатывании пре­дохранителей диски поворачиваются друг относительно друга.

3.4 Расчет мощности потребной дня работы ротационной машины

При работе почвенной фрезы на ровной поверхности поля и установившемся режиме работы потребляемая мощность N (Вт) равна

, (34)

где N_р - мощность на резание почвы, Вт;

N_отб- на отбрасывание почвы, Вт;

N_под - мощность на преодоление горизонтальной составляю­щей

равнодействующей сил на всех рабочих органах, находящихся в

работе, Вт;

N_пер - потери мощности на перекатывание машины, Вт;

N_тр- потери мощности в передаточных механизмах машины, Вт.

, (35)

где В - ширина захвата фрезы, м;

a - глубина обработки, м;

k_р - коэффициент удельного сопротивления резанию, Па;

k_р = 0,15…0,3 МПа;

V - скорость движения агрегата, м/с.

(36)

где k_от - коэффициент отбрасывание почвы ножами фрезы;

для Г-образных ножейk_от = 1, для рыхлящих долотk_от= 0,75.

V₀ - окружная скорость, м/с;

m- масса почвы, профрезерованной за 1 сек, кг.

, (37)

где - плотность почвы, кг/м³.

, (38)

где P_х - горизонтальная составляющая равнодействующей всех сил на

рабочих органах, находящихся в ра­боте.

Знак выбирается исходя из направления вращения фрезерного барабана: при совпадении с направлением вращения колес трактора знак -, в противоположном случае +.

Потери мощности в передачах машины

, (39)

где _н- к.п.д. передачи, включая карданную, центральный и боковой

редукторы.

При установке впереди машины культиваторных лап или других дополнительных устройств в уравнение (35) следует включить допол­нительные составляющие.

При выполнении данной работы требуется вычисление лишь двух составляющих: N_р иN_от .

3.5 Расчет на прочность изогнутого ножа и вала фрезы

Схема к расчету ножа изображена на рисунке 8 а. Расчет начинается с определения крутящего момента на валу фрезы М_кр (Нм)

, (40)

где  - угловая скорость вала фрезы, рад/с.

k_пер = 1,5…2- коэффициент перегрузки двигателя.

, (41)

где i - передаточное число трансмиссии;

n - число оборотов вала двигателя, об/мин.

Средняя окружная сила Р₀ (Н), приходящаяся на один нож рассчитывается по формуле

, (42)

где z_i - число одновременно работающих ножей.

, (43)

где z₀ -общее количество ножей на валу фрезы;

 - угол контакта рабочего органа с почвой, рад.

. (44)

В пределах сектора резания нагрузка на каждый нож меняется. Максимальное значение наблюдается после начала заглубления ножа и поворота его на угол 10…12°. При этом Р_max = 2P₀..

При расчете принимаем допущение, что равнодействующая сил сопротивления почвы приложена к носку прогнутого ножа: Р_i - ле­жит в плоскости вращения диска и отклонена от касательной к окружности на угол = 15…20°.

. (45)

Сила Q  0,3 Р_i действует параллельно от фрезерного барабана.

Силы Р_i иQ(Н)создают в опасном сечении ножа изгибаю­щие и скручивающие моменты

; (46)

; (47)

. (48)

Рисунок 8 - Схемы к прочностному расчету деталей фрезерного барабана

а - изогнутого ножа,

б - вала.

Напряжения в сечении А-Аот указанных моментов определяют по формулам

; (49)

; (50)

. (51)

Геометрические характеристики прямоугольного сечения рассчи­тываются по выражениям:

; (52)

; (53)

. (54)

Формула (54) справедлива для сечения в форме вытянутого пря­моугольника, при .

При n  1.

, (55)

где k = 0,208 при n = 1;

k = 0,246 при n = 2.

В соответствии с третьей теорией прочности приведенное напряжение

, (56)

Для изготовления ножей обычно используются стали 65Г или 70Г.

Схема к расчету вала фрезы с цепным приводом приведенанарисунке8б. В процессе работы на вал фрезы действует суммарная сила сопротивления почвыР_сум и сила натяжения цепиР_ц.

; (57)

, (58)

где d_зв - диаметр звездочки на валу фрезы.

Примем, что силы Р_ц иР_сумпараллельны, тогда их можно заменить силами, приложенными к валу фрезы и соответствующими крутящими моментами. СилаР_сумравномерно рассосредоточена вдоль фрезы на участкеLN. Величина распределенной нагрузки равна.

. (59)

Для расчета диаметра вала необходимо определить реакции в опорах L и М построить эпюры поперечных сил и изгибаю­щих моментов, исследовать уравнения изгибающих моментов на макси­мум, построить эпюру крутящего момента. По полученным данным в соответствии с выбранным материалом и коэффициентом запаса прочности вычислить значения диаметров вала.

3.7 Эскизы вала фрезерного барабана и ножа фрезы

На заключительном этапе работы вычерчиваются эскизы рассчитан­ных деталей с простановкой необходимых размеров, допусков и шерохо­ватости поверхности.

При разработке эскизов следует пользоваться натурным образ­цом фрезы ФЛУ-0,8, имеющимся в лаборатории механизации лесохозяйственных работ.

3.8 Форма и содержание отчета по практическому занятию

Отчет по практической работе составляется на листах формата А4 с обложкой установленной формы. Графическая часть выполняется на отдельных листах и подшивается к отчету.