9.3 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_cpslk_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 = 2abρ_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_лgj.

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 q₀, перепадом давления ∆р и коэффициентом полезного действия η_гм, т.е.

М_г = 0,159 ∆р q₀ η_гм.

Количество жидкости, поступающее к гидромотору для обеспечения его работы,

Q = q₀ 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_cpslk_β + σ_bab + 2abρυ²sinα/2 + tg φ mg cosα – m_лgj =

= 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_утt⁰k_βТ – потери жидкости в гидромоторе; k_ут=0,03 см³/(С ∙ ⁰С) – коэффициент утечек (по результатам эксперимента); t⁰ – 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; V₀ – 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;

М₀ = 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 m₁ – нагрузка на единицу длины элеватора; l – длина рабочей ветви элеватора; υ_эл - линейная скорость элеватора; R=Bhlγ – 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 = μF_{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.