Разработка ножа роторной бороны

• 1. Введение
• 2. Обоснование проекта
• 2.1 Значение картофеля
• 2.2 Состояние производства картофеля
• 2.3 Технологии возделывания картофеля
• 2.4 Подготовка почвы под посадку картофеля
• 2.5 Характеристика культиватора КВС-3
• 2.6 Обоснование разработки рабочего органа
• 3. Конструктивная часть
• 3.1 Процесс резания почвы лезвием
• 3.2 Кинематика вертикально-роторных рабочих органов
• 3.3 Сопротивление почвы на рабочем органе
• 3.4 Расчет угла наклона лезвия
• 3.5 Расчет вала
• 3.6 Проверочный расчет вала на сопротивление усталости
• 3.7 Расчет болтового соединения
• 3.8 Обоснование параметров ротора с вертикальной осью вращения
• 4. Охрана труда
• 4.1 Обоснование проектных решений в области охраны труда
• 4.2 Характеристика опасных зон агрегата МТЗ-1221 и культиватора КВС-3
• 4.3 Мероприятия по охране труда
• 5. Экология
• 5.1 Снижение загрязнения атмосферы отработавшими газами
• 5.2 Влияние качества обработки почвы на урожайность картофеля
• 6. Экономическая часть
• Заключение
• Список используемом лиteраtypы

1. Введение

Картофель относится к числу важнейших сельскохозяйственных культур, возделываемых в Российской Федерации, и является одним из наиболее ценных продуктов питания. Его используют на продовольственные, технические и кормовые цели. Картофель распространен в РФ почти повсеместно, что связано с высокой приспосабливаемостью этой культуры к различным почвенно-климатическим условиям. В результате интенсификации производства многие хозяйства собирают по 20−25 тонн «второго хлеба» с гектара.

Правительство Российской Федерации рассмотрело и одобрило программу по внедрению высокоэффективных технологий производства картофеля в сельскохозяйственных предприятиях. В ее рамках предусматривается решить две главные проблемы: во-первых, внедрить новые высокоэффективные технологии выращивания и уборки картофеля на площади 100−120 тыс. га, во-вторых, обеспечить развитие семеноводства, улучшить качество семенного картофеля и модернизировать базу хранения.

В современных условиях решение проблемы повышения эффективности производства картофеля сельскохозяйственными предприятиями определяется, прежде всего, необходимостью существенного увеличения его урожайности с 10−11 до 20−25 т/га. Но это возможно только на основе поэтапного перевода отрасли с экстенсивного на интенсивный путь развития. Речь идет об использовании современных высокоэффективных технологий посадочного материала лучших урожайных сортов, эффективных средств защиты растений.

Картофель — это культура рыхлой почвы. Для правильного развития картофеля необходима рыхлая, хорошо пропускающая воздух и воду и легко прогревающаяся почва. Только при таких условиях эта культура быстро развивается, рано вступает в фазу клубнеобразования, достигает полной зрелости к моменту уборки и дает высокий урожай. В связи с этим, наибольшее воздействие на урожайность картофеля оказывают приемы предпосевной обработки. Она должна обеспечивать рыхлую мелкокомковатую структуру почвы, создание условий для беспрепятственного проникновения корней в пахотный и подпахотный горизонты, сохранение почвенной влаги, а также создание или сохранение благоприятного состояния почвы для технологических процессов (хорошая возделываемость, просаживаемость и т. п.)

При выполнении этих требований обработка тяжелых по механическому составу почв, характерных для ряда зон РФ, орудиями с пассивными рабочими органами вызывает затруднения и требует многочисленных проходов по полю машинно-тракторного агрегата. Это приводит к уплотнению почвы колесами агрегата и к увеличению энергозатрат на выполнение технологических операций как при уходе за посадками, так и при уборке урожая. Поэтому в сельскохозяйственном производстве в нашей стране и за рубежом получили распространение почвообрабатывающие машины с активными рабочими органами.

Ротационные машины выполняются с горизонтальной, наклонной или вертикальной осями вращения рабочих органов. Машины с горизонтальной осью вращения до последнего времени имели наиболее широкое распространение. Однако, такие фрезы имеют ряд недостатков: вынос на поверхность нижних влажных слоев почвы, образование рабочими органами уплотненного дна, недостаточную заглубляемость, невысокую эксплуатационную надежность, что объясняется большим удельным количеством рабочих органов на 1 метр ширины захвата.

Этих недостатков в значительной мере лишены почвообрабатывающие машины с вертикальной осью вращения, получившие за рубежом в последнее время широкое распространение. Наибольшее применение такие машины находят на сплошной обработке почвы.

Аннотация

Дипломный проект на тему: «Подготовка почвы под посадку картофеля с разработкой рабочего органа комбинированной машины» содержит 6 разделов, ____ страниц, 12 рисунков, 8 таблиц, 36 формул.

В 1-м разделе — обосновании проекта — проанализировано состояние производства картофеля в мире и в Российской Федерации, рассмотрены различные технологии возделывания картофеля, представлена схема подготовки почвы под посадку.

Во 2-м разделе — расчетно-технологической части — рассмотрена кинематика рабочих органов, представлена методика лабораторных исследований и анализ их результатов, дан расчет угла наклона лезвия ножа.

В 3-м разделе — конструктивной части — произведен расчет вала на сопротивление усталости, а также расчет болтового соединения ножа со ступицей.

В 4-м разделе — охраны труда — рассмотрены опасные зоны при работе агрегата, даны предложения по улучшению условий труда тракториста.

В 5-м разделе — экологии — рассчитано снижение количества токсичных выхлопов в результате внедрения проектных предложений.

В 6-м разделе — экономической части — рассчитан экономический эффект от снижения затрат на эксплуатацию.

В заключении подведены итоги проекта и рассмотрены преимущества проектного варианта культиватора.

Кроме того, в конце диплома дан список используемой литературы и приложения.

2. Обоснование проекта

2.1 Значение картофеля

Роль картофеля как продукта питания очень велика. По общим энергетическим запасам картофель занимает пятое место в мире после пшеницы, кукурузы, риса, ячменя. Картофель выращивают от тропиков до арктического пояса. Эта сельскохозяйственная культура обеспечивает полную окупаемость вносимых удобрений. Картофель дает в 1,5…2 раза больше углеводов, чем зерновые культуры. Самое высокое производство энергии с 1 га характерно для сахарной свеклы, затем — картофеля. Картофель обладает большими запасами белка с единицы площади (таблица 1.1).

При среднем мировом уровне урожайности картофеля в 136 ц/га, сбор белка составляет 273 кг/га, уступая только гороху (при урожае 13,5 ц/га сбор белка составляет 304 кг/га), причем белок картофеля благодаря сбалансированному по аминокислотному составу должен быть отнесен к биологически ценному белку. Со 100 г картофеля удовлетворяется потребность человека в белке на 8%, в железе на 10, в витамине С — 20…50%, в витамине В на 10% и энергетические потребности на 3%.

По энергетическим затратам на производство картофеля находится на 2 месте после риса, выращиваемого в условиях орошения.

Таблица 1.1

2.2 Состояние производства картофеля

По оценкам специалистов, сегодня картофель выращивают на 195 000 квадратных километров сельскохозяйственных угодий. Мировое производство картофеля за последние 15…20 лет сохраняется на уровне около 300…350 млн. т с некоторыми колебаниями. При этом наблюдается тенденция сокращения посевных площадей и повышение урожайности картофеля (до 15,4 т/га). Сектор картофелеводства в мире переживает серьезные изменения. До начала 1990;х годов большая часть картофеля выращивалась и потреблялась в Европе, Северной Америке и странах бывшего Советского Союза.

Позднее значительно увеличилось производство картофеля и спрос на него в странах Азии, Африки и Латинской Америки, где объем производства увеличился с менее чем 30 млн тонн в начале 1960;х годов до почти 120 млн тонн. В середине 1990;х. как показывают данные ФАО, в 2005 году впервые оббьем производства картофеля в развивающихся странах — около 162 млн. тонн — превысил соответствующие показатели производства в странах развитого мира (156 млн. тонн). Китай в настоящее время является крупнейшим производителем картофеля, a почти треть мирового урожая картофеля убирается в Китае и Индии.

Крупнейшие производители картофеля, 2009 г.

Таблица 1.2

Производство картофеля в России в 2009 году По данным Росстата РФ площадь посадки картофеля в 2009 г во всех категориях хозяйств России составила 2862 тыс. га Доля сельхоз — организаций составила 5,7%, крестьянских хозяйств 2,9%, хозяйств населения — 91,4%. Валовойсбор-36,6млн т. (сельхозорганизаций — 7,5%, крестьянские хозяйства-3,3%, хозяйства населения — 89,2%). Урожайность картофеля в 2009 г. в среднем по России во всех категориях хозяйств составила 12,8 т/га, в сельхозпредприятиях — 17,4 т/га.

За последние годы произошли существенные изменения в размещении производства картофеля по регионам России. Наиболее сильно сократились площади под картофелем в традиционных картофелеводческих регионах: в Центральном, Северо-западном, Приволжском, Уральском.

Сокращение площадей в 2009 г. на 3,8% по сравнению с 2008 г. во всех федеральных округах произошло, в основном, за счет уменьшения посевов в хозяйствах населения, где площадь посадки составила 2616 тыс. га, или 95% к уровню 2008 года.

Фермерские хозяйства расширили посевы на 9 тыс. га. Доля этой категории хозяйств, в структуре посевных площадей картофеля, увеличилась с 2,4% в 2008 г. до 3% в 2009 г.

В секторе сельскохозяйственных организаций в 2009 году площадь под картофель составила 162 тыс. га, то есть увеличилась по сравнению с предыдущим годом на 7 тыс. га, здесь собрано 2732 тыс. т или на 28 тыс. т больше, чем в 2008 г.

Уровень урожайности картофеля в 2009 г. В среднем по Росси во всех категориях хозяйств составил 12,8 т/га, при этом в сельхозпредприятиях — 17,4 т/га. Урожайность во всех категориях хозяйств выше средней по стране остается в трех федеральных округах: в Приволжском (13,7 т/га); Уральском (15,4 т/га); и Сибирском (13,1 т/га).

В последние три года обозначилась устойчивая положительная тенденция значительного повышения урожайности картофеля в сельскохозяйственных предприятиях и фермерских хозяйствах по сравнению со средними показателями для всех категорий.

Перспектива развития картофелеводства во многом зависит от экономической эффективности отрасли. Себестоимость производства картофеля имеет большие региональные различия. Выше среднего уровня по РФ в 1,4−1,9 раза себестоимость в Северно-Западном, Южном и Дальневосточном федеральном округе. Несколько ниже федерального уровня себестоимость производства в Приволжском, Уральском, Сибирском федеральных округах. За период с 2003 по 2009 годы произошло удорожание себестоимости производства картофеля в 1,4 раза. Одно из главных обстоятельств повышения себестоимости — инфляция, обусловленная ростом цен на топливо, средства защиты и т. д.

Несмотря на такое положение, в последние годы производство и реализация картофеля в сельхозпредприятиях было рентабельным. Уровень рентабельности по Российской Федерации в 2001 году составил 23,3%, в 2009 г. — 36,5%, в 2010 г. (проект) — 36,8%. Высокий уровень рентабельности производства картофеля имели Центральный, Сибирский и Приволжский Федеральные округа.

Переход к рыночным отношениям предоставил сельским производителям свободу выбора каналов и условий реализации картофеля. Личные подсобные хозяйства играют большую роль в обеспечении населения картофелем, но нельзя переоценивать их товарные возможности. Уровень товарности картофеля во всех категориях хозяйств составляет 12%, тогда как в сельскохозяйственных предприятиях — 42%, в хозяйствах населения — 10%, в крестьянских (фермерских) хозяйствах — 35%.

нож роторная борона картофель На основе обобщенных данных за ряд лет структура российского рынка картофеля и его среднегодовая емкость оценивается в пределах 35−38 млн. тонн.

Внутреннее потребление включает:

§ Пищевое потребление (в свежем виде): 16−18 млн. тонн (почти 50%)

§ Использования на кормовые цели: 6−7 млн. тонн;

§ Семена: 8−9 млн. тонн;

§ Переработка: 8−9 млн. тонн.

Отличительной чертой картофелеводства России является то, что оно пока ориентировано, главным образом, на внутренний рынок, и российский картофель очень слабо представлен на международном рынке.

Экспорт картофеля не превышает 20−30 ты с. тонн в год, в то время как среднегодовое количество картофеля, поступающее в Россию по импорту, составляет около 350 тыс. тонн, или около 1% от общего валового производства.

Еще одна особенность заключается в том, что в России на переработку используется менее 1% выращенного картофеля, тогда как в странах c хорошо развитым картофелеводством на переработку используется 30−40% выращенного урожая.

Таким образом, в России в торговом (или коммерческом) обороте находится, в лучшем случае, примерно 20−25% выращенного урожая. Остальная часть картофеля, производимого, в основном, населением, идет, как правило, на их же собственное потребление. Для сравнения, например, в Голландии, из 7 млн. т валового сбора картофеля около 30% составляет экспорт, столько же идет на переработку и остальное (за минусом семян) идет в торговлю на внутреннем рынке своей страны.

На основе анализа современного состояния производства картофеля к числу наиболее актуальны задач и приоритетны направлений повышения эффективности картофелеводства и развития рынка картофеля следует отнести:

поддержание объемов производства в хозяйствах всех категорий на уровне 35−36 млн. т c учетом потребностей рынка;

реальное повышение средней урожайности в сельскохозяйственных предприятиях и в крупных фермерских хозяйствах основных картофелепроизводящих регионов до 20 т/га и получение валового сбора в этих хозяйствах на уровне 3−4 млн. т;

поэтапный перевод картофелеводческих сельхозпредприятий и крупных крестьянских (фермерских) хозяйств на современные технологии;

снижение затрат на производство единицы продукции и обеспечение экономии расходных материалов;

повышение эффективности использования сортовых ресурсов, прежде всего лучших отечественных селекционных достижений;

освоение на региональном уровне научно обоснованных схем семеноводства и новых Технологических регламентов производства оригинального, элитного и репродукционного семенного картофеля;

введение

строго регламентированной схемы сертификации семенного картофеля, основанной на современном законодательстве;

создание инфраструктуры рынка Семенного и продовольственного картофеля;

развитие индустрии переработки картофеля;

оптимизация объемов импорта картофеля и картофелепродyктов, наращивание экспорта семенного и продовольственного картофеля.

Среди важнейших приоритетов на региональном уровне следует выделить создание необходимых условий и развитие инфраструктуры для обеспечения частного сектора, включая фермеров и владельцев приусадебных участков, высококачественным (сертифицированным) посадочным материалом репродyкции лучших сортов, a также хорошую организацию их сервисного обеспечения.

B настоящее время огромный потенциал крупных, средних и мелких хозяйств, частного сектора используется недостаточно эффективно для обеспечения потребительского рынка России ресурсами высококачественного продовольственного картофеля. Наряду c развитием производства картофеля в секторе сельскохозяйственных предприятий и крестьянских (фермерских) хозяйств, важнейшей актуальной задачей на ближайшую перспективу является вовлечение потенциала личных хозяйств населения в рыночные отношения c сельскохозяйственными и перерабатывающими предприятиями.

Рис. 1.1 Производство картофеля в мире.

Производство и потребление картофеля в РФ.

Таблица 1.3

Основные причины падения заинтересованности сельскохозяйственных предприятий в возделывании картофеля большая трудоемкость и высокие энергозатраты на производство, приводящие к нерентабельности картофелеводства в значительной части регионов и хозяйств. Многие предприятия вынуждены резко сократить производство картофеля из-за невозможности соблюдения современных технология в связи c острым недостатком и дороговизной техники, удобрений, средств защиты растений. B последние годы серьезные сложности возникли также со сбытом выращенного урожая в связи c увеличением насыщенности рынка картофелем, произведенным в частном секторе.

Увеличение сбора картофеля c минимальными затратами труда и средств может быть достигнуто на основе совершенной технологии возделывания, создания менее энергоемких машин, улучшения организации работ и высокого уровня селекции и семеноводства. Эффективность технологии будет обеспечена лишь в том случае, если она разработана c учетом конкретных почвенно-климатических и местных условии хозяйств.

2.3 Технологии возделывания картофеля

Говоря o технологии производства картофеля, прежде всего, следует исходить из того, что технология должна Максимально отвечать биологическим требованиям культуры. B настоящее время в России используются следующие технологии производства картофеля:

" заворовская" технология;

технология c посадкой по схеме 110 + 30 см;

технология c междурядьями 90 см;

технология c междурядьями 140 см;

" голландская" технология.

При выращивании картофеля по «заворовской» технологии для улучшения качества подготовки почв к посадке используется предварительная нарезка гребней. На поле культиватором КРН-4,2, оборудованным ярусными окучниками из стрельчатых лап, нарезают гребни c междурядьями 70 см. На юге и юго-востоке страны предварительная нарезка гребней проводится с осени.

В условиях избыточного переувлажнения используется грядово-ленточная технология с посадкой картофеля по схеме 110+30 см. Согласно этой технологии, при предварительной нарезке гребней рабочие органы на культиваторе расставляются таким образом, что из двух гребней c междурядьем 70 см формируется одна гряда шириной 30 см. Расстояние между грядами 110 см.

Технология c междурядьем 140 см используется при выращивании картофеля в условиях избыточного увлажнения или в первичном семеноводстве, где требуется повышение коэффициента размножения клубней за счет увеличения площади питания растений.

Для технологии выращивания картофеля c междурядьями 140 см и 110+30 см все машины переоборудуются в кустарных условиях, серийно выпускаемых машин нет.

B последние годы ведутся исследования по отработке технологии выращивания картофеля с междурядьями 90 см. Переход на междурядья 90 см требует создания специальных машин для посадки, междурядной обработки и уборки картофеля. Созданы экспериментальные образцы гребнеобразователя c активными рабочими органами, картофелесажалки и 6отвоудалителя. Решается вопрос серийного производства.

Краткое рассмотрение существующих отечественных технологий выращивания картофеля, показывает, что применение машин c активными рабочими органами здесь ограничено, в ряде технологий используются приспособленные, a не серийные машины.

" Голландская" технология выращивания картофеля характерна для многих западноевропейских стран c развитым картофелеводством. B этой технологии широко используются активные рабочие органы, минимальное количество междурядных обработок, междурядья увеличены до 75 см, для борьбы c сорной растительностью используются гербициды.

Зяблевая вспашка проводится оборотным плугом «Лемкен», который не формирует свальных и развальных борозд. Весеннее боронование зяби с целью закрытия влаги не проводится, что позволяет ускорить подсыхание верхнего слоя почвы. Предпосадочная обработка почвы проводится фрезерными культиваторами типа «Доминатор» с вертикальным вращением ножей. Глубина обработки почвы 12−14 см. Этот агрегат выполняет одновременно три операции: фрезерование, планировку и прикатывание почвы.

Посадка картофеля осуществляется четырехрядными машинами с междурядьями 75 см. Не допускается разрыв во времени между подготовкой почвы и посадкой. При посадке заделывающие диски формируют гребень высотой 8−10 см, шириной в основании 30−35 см. Высаживающий аппарат картофелесажалок — ленточный с ложечками.

Междурядная обработка проводится фрезерным культиватором с гребнеобразователем фирмы «Румпстад». Фрезерованная почва из междурядий гребнеобразователем формируется в трапециевидный гребень с параметрами: высота 23−25 см, ширина по основанию 75 см, по верху 15−17 см; площадь поперечного сечения гребня 950−1000 см. Верхний слой почвы на вершине и по бокам гребня уплотняется и приглаживается кожухом гребнеобразователя, чем создается устойчивая поверхность для гербицидной пленки. Объем почвы в гребне дает возможность продолжительное время сохранять оптимальный запас влаги даже в засушливые периоды, в то же время высота и форма гребня дают возможность избежать избытка влаги при переувлажнении. Сроки проведения междурядной обработки зависят от условий и состояния почвы. Обычно междурядная обработка проводится на 14−18 день после посадки. Однако в условиях сухой и жаркой погоды в весенний период или ночных заморозков после обработка может быть проведена через несколько дней после посадки.

После гребнеобразования другие механические междурядные обработки не проводятся. Применение гербицидов при такой технологии ухода становится необходимым приемом. Гербициды вносятся широкозахватными штанговыми опрыскивателями до появления или в период появления всходов картофеля.

Сокращение междурядных обработок уменьшает опасность повреждения корневой системы растений картофеля, столонов и клубней и вероятность переноса вирусной и другой инфекции рабочими органами орудий. Для борьбы c болезнями и вредителями используются фунгициды и инсектициды контактного и системного типа действия, которые применяются путем разбрызгивания c помощью широкозахватных опрыскивателей. Уборке картофеля предшествует уничтожение ботвы химическим (десикация), механическим способами или комбинированно. Через 10−14 дней после удаления ботвы картофель убирают 2 — рядными комбайнами типа A УК-Основу голландской технологии возделывания картофеля составляет комплекс агротехнических приемов. Для обработки почвы используют фрезерные орудия c активными рабочими органами, почва становится очень рыхлой. Против сорняков обязательно применяют гербициды. Всегда соблюдают технологическую дисциплину, то есть все приемы, предусмотренные агротехникой, выполняют качественно и в намеченные сроки. Отличительная особенность голландской технологии — сокращение до минимума количества механических обработок при уходе за посадками. После формирования высокообъемных гребней за один проход агрегата междурядную обработку почвы в дальнейшем не проводят.

Российские ученые также совершенствуют технологию выращивания картофеля c учетом конкретных почвенно-климатических условий, которые y нас очень разнообразны по регионам. Так, ВНИИ картофельного хозяйства (Московская область) разработал и рекомендует для различных зон интенсивные технологии возделывания картофеля c междурядьями 70 и 90 см c использованием отечественного комплекса машин, в том числе фрезерного культиватора. Они включают элементы голландской технологии: фрезерование при подготовке почвы к посадке и уходе, формирование гребней за один проход агрегата, применение гербицидов по гребням.

2.4 Подготовка почвы под посадку картофеля

Технология подготовки почвы под посадку картофеля включает основную, или зяблевую, и предпосадочную обработки. Основная обработка почвы проводится в летне-осенний период и состоит из лущения жнивья (или дискования) и глубокой зяблевой вспашки. Лущение проводится, если предшественник — зерновые культуры, a дискование — если предшественник многолетние травы, сидераты. Зяблевая вспашка проводится через 2−3 недели после рыхления стерни на глубину 27−30 см, на почвах с небольшим пахотным горизонтом — на всю его глубину. При основной обработке тяжелых почв предъявляются повышенные требования к выравненности поверхности пашни, поскольку это оказывает влияние на качество фрезерования весной. При зяблевой обработке, как правило, вносят основные минеральные удобрения (калий, фосфор). Органические удобрения предпочтительнее вносить под предшествующую культуру.

Весенняя предпосадочная подготовка почвы предусматривает сохранение влаги, накопленной почвой за осенне-зимний период, создание межомковатого рыхлого пахотного слоя c выровненной поверхностью, борьбу c сорняками. Она состоит из двух частей:

ранневесенняя обработка (боронование, культивация), цель которой — сохранить влагу до собственно предпосадочной обработки;

предпосадочная обработка, выполняемая c незначительным разрывом до посадки.

Подготовка почв по голландской технологии предусматривает выполнение в летне-осенний и весенний периоды общепринятых агроприемов. Возделывание картофеля по этой технологии начинается c проведения сплошного предпосадочного фрезерования вертикально-фрезерным культиватором. Данная операция позволяет создать на поверхности поля мелкокомковатый слой почвы глубиной 12 см. B эту мелкокомковатую почву проводится межогребневая посадка картофеля на глубину 4−6 см четырехрядными картофелесажалками. Межогребневая посадка способствует более быстрому прогреву клубней. Затем, после прогрева клубней в гребнях на 10-й — 15-й день культиватором КВК-4 однократно формируется высокоо6ъемный гребень (рис. 1.3.) (высота 30+3 см), обеспечивая рыхлую прослойку почвы над посадочным клубнем 15−18 см (считая расстояние от верхней части клубня до вершины гребня).

За 2−3 дня до появления всходов или по всходам при высоте растений 5−7 см посадки обрабатываются широкозахватными штанговыми опрыскивателями гербицидом «Зенкор» (70% смачивающего порошка c нормой расхода 0,75−1,0 кг/га, 250−300 га).

Рис. 1.2 Схема подготовки почвы при возделывании картофеля.

Рис. 1.3 Положение клубня и форма гребней при посадке картофеля по голландской технологии.

1 — поверхность пашни;

2 — посадочный клубень;

3 — форма гребня после посадки картофеля;

4 — форма гребня после прохода культиватора КВК — 4;

5 — линия хода лемеха картофелеуборочной машины.

2.5 Характеристика культиватора КВС-3

Культиватор вертикально-фрезерный КВС-3 предназначен для сплошной обработки почвы на глубину до 15 см для подготовки посевного слоя c хорошо выраженной структурой, улучшающей проникновение в почву дождевой влаги.

Агрегатируется культиватор c тракторами класса тяги 1,4−2, по типу соединения c трактором навесной, на заднем навесном устройстве, при трехточечной схеме навески, привод рабочих органов осуществляется от ВОМ Трактора c частотой вращения 540 об/мин

Культиватор обеспечивает разделку глыб почвы тяжелого механического состава размером не более 250 мм после вспашки на глубину до 27 см, на ровных участках и склонах до 8°, не содержащих растительных остатков и камней диаметром более 150 мм. За один проход культиватор выполняет рыхление почвы активными вертикально-расположенными рабочими органами на глубину до 15 см, выравнивание обработанного слоя почвы и его прикатывание игольчато-шпоровым катком.

Культиватор состоит из рамы, на которой установлен центральный редуктор, который через карданную передачу передает ращение от ВОМ трактора на шестерни редуктора привода рабочих органов — вертикальных барабанов c ножами, закрепленными на них болтовыми соединениями. На раме через одноточечное осевое соединение закреплен каток. Для исключения разбрасывания бра6отанного слоя почвы установлены подпружиненные боковины.

B момент кратковременных перегрузок, вызванных неправильно выбранным режимом работы или наездом на препятствие, муфта предохранительная разъединяет передачу, роторы перестают вращаться. В целях техники безопасности при техническом обслуживании и установке культиватора на хранение предусмотрена подставка. Входной вал привода ножей закрыт защитным кожухом.

Для изменения режима вращения роторов в зависимости от почвенных условий, к культиватору прикладывается комплект сменных частей (шестерен). Глубина обработки почвы ножами роторов устанавливается и удерживается на заданной глубине положением катка, регулируемым по высоте при помощи секторного кронштейна.

2.6 Обоснование разработки рабочего органа

Фрезерные почвообрабатывающие машины имеют существенные преимущества перед машинами c пассивными рабочими органами. B частности, ротационные машины потребляют значительно меньше энергии на перемещение по полю, что позволяет для их агрегатирования использовать трактора с малым сцепным весом. Кроме того, по качеству крошения почвы такие машины существенно превосходят все другие. Но наряду с этим, энергоемкость технологического процесса c их применением является очень высокой.

Таким образом, снижение затрат энергии на привод активны рабочих органов является важной задачей. Для ее решения, помимо других мероприятий, необходимы исследования взаимодействия рабочего органа c почвой.

При фрезеровании энергия в основном затрачивается на резание и отбрасывание почвы.

3. Конструктивная часть

3.1 Процесс резания почвы лезвием

B почвообработке различают два вида резания: резание клином и резание лезвием. При резании клином определяющее воздействие на почву оказывает рабочая грань, а лезвие играет вспомогательную роль или вовсе не играет никакой роли. При резании лезвием, наоборот, определяющее воздействие оказывает лезвие, a фаски (рабочие грани) играют вспомогательную роль. Однако между процессами резания лезвием и резания клином нет резкой границы, и один процесс при определенных условиях может трансформироваться в другой.

Резание лезвием — одна из наиболее распространенных технологических операций. Она лежит в основе действия ножей, лап, зубьев и других рабочих органов, широко применяемыx в почвообрабатывающих и мелиоративных машинах.

Схема взаимодействия ножа c почвой представлена на рисунке 2.1 B зависимости от соотношения между углами? и б различают режимы резания: б=0 — рубящее резание; 0<�б<? — резание c некоторым продольным перемещением, но без скольжения; а>? — резание со скольжением.

В случае рубящего резания лезвие давит на частицу почвы по нормали. Частица перемещается под действием этой силы, пока не будет разрушена. При резании c продольным перемещением факт некоторого продольного перемещения лезвия еще не означает, что почва по нему скользит.

Разложив силу N на две составляющие N_v и N_T видим, что сила N_v толкает частицу в направлении скорости ножа V, a сила N_T стремится заставить ее двигаться вдоль ножа N_T = Ntgбmp _mах = N tg?. Следовательно, сила F_{mр mах} как сила реакции в точности равна возбуждающей ее силе N_Т и направлена в противоположную от нее сторону. B результате сила N_T уравновешивается силой F_mр и частица перемещается под действием силы N_v по направлению ее действия, пока не будет разрушена.

При резании со скольжением б > ?, следовательно, N_T > F_mp т. e. сила трения достигает максимального значения N tg?, но она не в состоянии уравновесить силу N_T, поэтому частица почвы будет скользить вдоль лезвия под действием силы N_T — F_mp. Следовательно, на частицу одновременно действуют силы N_v и N_T — F_mр или N и F_mp. Сложив их, получим равнодействующую R, направленную под углом трения? к нормали N. Частица будет перемещаться в направлении силы R под ее действием, пока уплотнение почвы не приведет к тому, что удельное давление на частицу достигнет предела прочности, и она разрушится.

При б >? лезвие воздействует на частицу силой R, отклоненной от горизонтали вниз, a частица почвы воздействует на лезвие с силой R' равной силе R по величине и противоположной по направлению. Вертикальная составляющая этой силы R'_в будет направлена вверх, что приведет к уменьшению заглубляющей силы и уменьшению глубины обработки.

Рисунок 2.1 Схема взаимодействия ножа c почвой.

3.2 Кинематика вертикально-роторных рабочих органов

Кинематика рабочих органов вертикально-роторных машин имеет много общего c ротационными машинами c горизонтальной осью. Однако имеется и ряд особенностей.

Ротационные рабочие органы одновременно участвуют в двух движениях: переносном — вместе c машиной, имеющей поступательную скорость н_m и относительном — вращении вокруг оси ротора c окружной скоростью v_o. Следовательно, вектор мгновенной скорости v точки рабочего органа можно выразить как сумму двух векторов.

(2.1)

Векторы лежат в плоскости вращения, поэтому модуль абсолютной скорости равен:

(2.2)

Выберем оси координат в плоскости вращения рабочего органа следующем образом: начало координат совместим с осью ротора, ось направим в направлении Поступательного движения машины, а ось направим так, чтобы направление вращения её положительного конца к оси X совпадало c направлением вращения ротора, при этом уравнения движения концевых точек рабочего органа будут:

(2.3)

где: R — радиус ротора;? — текущий угол поворота ротора.

Траектория движения представляет собой плоскую кривую — удлиненную циклоиду, так как:

(2.4)

Модуль абсолютной скорости составит:

(2.5)

Выбранная система удобна тем, что:

(2.6)

С учётом равенства (2.4) и (2.6), уравнение (2.5) представим в виде:

(2.7)

Следовательно, модуль абсолютной скорости является переменной величиной, зависящей от угла поворота ротора. На рисунке 2.2 представлена схема к выводу уравнения движения рабочего органа, участок траектории АВ представляет собой зону отрезания почвенной стружки

Рис. 2.2 Схема к определению скорости движения ножа.

На рисунке 2.3 представлен график изменения абсолютной коросты от угла поворота ротора для Вертикально расположенных рабочих органов. Как видно из графика, зона резания превышает половину оборота ротора, a скорость V_р за цикл резания проходит через максимум и минимум.

Рис. 2.3 Зависимость скорости резания V_р рабочего органа cвертикальной осью вращения от угла поворота ротора ?.

В теории ротационных почвообра6атывающих машин для определения технологических характеристик и конструктивных параметров используется понятие средней скорости резания. В связи c тем, что величина скорости резания переменна в функции угла поворота рабочего органа, определим среднее значение скорости резания. По определению среднего значения функции имеем:

(2.8)

Где ?₁ и ?₂ — текущие углы поворота ротора, определяющие начало и конец процесса.

Основной отличительной особенностью машин c вертикальной осью вращения от горизонтaльныx фрез является то, что величина угла поворота ротора, соответствующая циклу резания, не зависит от технологического параметра — глубины обработки и может быть представлена суммой трёх углов:

(2.9)

где: ?_H — угол между перпендикуляром к направлению движения и начальным положением конца рабочего органа;

?_K — угол между перпендикуляром к направлению движения и конечным положением конца рабочего органа.

Эти углы определяются по выражениям [6]:

где Z — количество рабочих органов на роторе.

После подстановки значений ?₁ и ?₂ в выражение (2.7) получаем сложную формулу, содержащую эллиптический интеграл 2-го рода, который вычисляется c помощью таблиц. Чтобы избежать определения интеграла по таблицам, ряд авторов предлагает следующие формулы для определения средней скорости резания ротационных рабочих органов:

(2.12)

где V ₁ и V₂ — скорости в начале и в конце резания;

(2.13)

(2.14)

Формула (2.12) предложена B.И. Воробьевым для горизонтальных фрез, формула (2.13) использовалась многими исследователями применительно к ротационному плугу, формула (2.14) предложена Ф. C. Любимовым для вертикальных фрез.

3.3 Сопротивление почвы на рабочем органе

Согласно общему закону разрушения материалов при технологически процессах, разработанному академиком B.П. Горячкиным [1], сопротивление почвы на ротационных рабочих органах представляет сумму трех составляющих:

(2.15)

где: Р_mр — сопротивление, вызванное трением ножа o почву;

Р_р — сопротивление резанию и деформации отрезаемой стружки;

Р_оmб — сила, необходимая для сообщения скорости частицам обрабатываемого слоя почвы.

По данным многих исследователей [12,13,14] точка приложения силы P находиться на режущей кромке лезвия ротационного рабочего органа, либо выше неё. Это согласуется c теорией взаимодействия клина c почвой, развивающей общее учение В. П. Горячкина. По этой теории движение клина в почве препятствует сопротивление почвы проникновению в неё клина; сопротивление почвы деформации, производимой рабочей поверхностью клина; сопротивление почвы деформации, производимой рабочей поверхностью клина; сила тяжести пласта; инерция пласта; сила трения, возникающая на рабочей поверхности пласта.

Первые два вида сопротивления клина обычно учитываются вместе, однако определить их теоретически нельзя. Это объясняется тем, что основным видом деформации почвы под воздействием клина является отрыв. Для этого вида деформации почвы ещё не найдены формулы, позволяющие определить сопротивление клина.

Таким образом, современная теория почвообрабатывающих машин не позволяет определить сопротивление почвы расчётным путём. Поэтому величину сил сопротивления следует определять на основе экспериментального исследования.

Сопротивление почвы отрезанию стружки ножом вертикальной фрезы можно представить в виде:

(2.16)

где К_р — коэффициент удельного сопротивления, H/м².

Сопротивление почвы резанию из-за переменного сечения стружки является циклической величиной, характеризуемой коэффициентом динамичности (степени неравномерности) рабочего процесса A, определяемым по формуле:

(2.17)

Где P_max, P_min, Р_ср — максимальное, минимальное и среднее усилие. Полагая, что усилие на ноже пропорционально толщине стружки 5, определим коэффициент динамичности c учётом выражения

(2.18)

Для вертикально-роторных машин c наиболее распространёнными параметрами (= 3.4, Z=2,3,4) коэффициент составляет 1,22.1,45. Значения для машин c горизонтальной осью вращения составляют: 1,05.1,1 — фрезерные культиваторы; 1,25.1,35 — ротационный плуг.

Следовательно, рабочие органы вертикально-роторных машин при отpрезании стружки работают в более напряженном динамическом режиме по сравнению c фрезами, имеющими горизонтальную ось вращения.

Часть сопротивления Р_р, зависящую от V_р, обозначим через P_рдин, a другую часть Р_р — через Р_рст — K статическому сопротивлению P_рст, относятся те составляющие усилия, связь которых со скоростью резания не установлена. K последним, в частности, можно отнести сопротивление почвы проникновению в неё рабочего органа и трение на поверхности рабочего органа. Таким образом, Р_р можно представить в виде:

Объединив составляющие общего сопротивления почвы, зависящие от V_р, имеем:

где:

B связи c тем, что непосредственное измерение сопротивления почвы представляет значительные технические трудности, определение общего сопротивления почвы P и его составляющих следует осуществлять по экспериментальным значениям. Согласно исследованиям Инаекяна С. А. [8], сумма составляющих 80%

Затраты мощности N_Mn на выполнение технологического процесса обработки почвы при работе ротационной машины в установившемся режиме могут определяться по следующей формуле:

(2.19)

где: — N_ф — мощность фрезерования, расходуемая на ротационных рабочих органах; N_m — мощность на преодоление тягового сопротивления; N_np — потери мощности в приводе машины; N_on — потери мощности на преодоление сопротивления опорного устройства.

Согласно имеющимся опытным данным [14], потери мощности N_np и N_on, ротационных почвообрабатывающих машин невелики и в сумме не превышают 6…10% от общих затрат. Долю тяговой составляющей N_m в расчетах параметров вертикально-роторных фрез при рациональном кинематическом режиме следует принимать [8]

₍2.20)

3.4 Расчет угла наклона лезвия

Согласно данным испытаний [11], наилучшее качество обработки почвы достигается при частоте вращения роторов n = 224 мин^-1.

Окружную скорость ножа, соответствующую данной частоте вращения, определяем из выражения:

(2.26)

где R — расстояние от оси ротора до режущей кромки, м

Определим скорость резания, используя выражение (2.14).

Согласно рисунка 2.1., косинус угла наклона лезвия определяется из выражения:

(2.27)

Оптимальным значением скорости является V = 3 м/с. Следовательно, можем определить оптимальный угол наклона лезвия б₂

cos б₂=3/3,5=0,85 б₂=36,5°

Определим значение скорости при базовом угле наклона:

Согласно графику на рисунке 2.6., величина энергии, соответствующая этому значению скорости при базовом угле наклона, равна 210 Дж/см², a значению скорости при оптимальном угле — 115 Дж/см². Таким образом, энергия на резание снижается на 55%. Как отмечалось в пункте 2.3., сила сопротивлению почвы резанию составляет 80% от общего сопротивления почвы. Согласно данным испытаний [4], расход топлива составляет 14,7 кг/га, a затраты на привод ВОМ составляют 70% от эффективной мощности двигателя. Таким образом, расход топлива снизится на 27% и составит 11,4 кг/га.

B данном разделе проводится расчет вала на сопротивление усталости. Кроме того, рассчитывается диаметр болтов, крепления ножей к ступице и усилие затяжки болтового соединения c зазором.

3.5 Расчет вала

Исходные данные для расчета:

F_{k (max)} =900H, n= 270 мин^-1, материал — сталь 40X, делительный диаметр d_k=0,245 мм, [4]

(3.1)

F_k2=0,25…0,45F_{k (max)}

F_k2=0,45*900=405 H

T= (F_{K (max)} +F_k2) *d_вр/2= (900+405) *122,5=159 Нм

F_K?=F_{K (max) —} F₂=900−405=495 Н

Составляем расчетную схему вала, определяем нагрузки:

F_t=2T/d_k=2*129/0,245=1053 Н

F_R=F_t*tgб=1053*0,364=383 Н

Определяем реакции в опорах от силы F_t:

M_ИЗ^F_R=R₁*б₁=128*0,105=12 Нм

Проверка:

383−255−128=0

Определяем реакции в опорах от силы F_t(c):

(под подшипником) M_ИЗ^F_к=F_k*б₃=495*0,36=178,2 Нм

(кольцо уплотн.) M_ИЗ^F_к=F_k*0,336=495*0,336=166,2 Нм

(под колесом) M_ИЗ^F_к=R₁^к*0,105=1113*0,336=374 Нм

Проверка:

495−1113+1608=0

Суммарный изгибающий момент в сечении под колесом

?М_ИЗГИБ=

Суммарный изгибающий момент в сечении под подшипником

?М_ИЗГИБ= M_ИЗ^F_к=178.2Нм

Суммарный изгибающий момент в сечении под уплотнительным кольцом

?М_ИЗГИБ= M_ИЗ^F_к=166.2Нм

Сравнивая полученные значения суммарных изгибающих моментов, делаем вывод, что наиболее опасными сечениями вала являются сечения под уплотнительным кольцом и под подшипником.

3.6 Проверочный расчет вала на сопротивление усталости

Коэффициент запаса прочности в сечении

(3.2)

Коэффициент запаса прочности по напряжению изгиба

(3.3)

Коэффициент запаса прочности по напряжениям кручения

(3.4)

где: — пределы выносливости материала вала соответственно при изгибе и кручении, МПа.; - коэффициенты концентрации напряжений; - переменные составляющие цикла изменения напряжений (амплитуды), МПа; - коэффициенты, характеризующие чувствительность материала к асимметрии цикла напряжений; - постоянные составляющие цикла изменения напряжений, МПа.

Вал изготовлен из стали 40Х c характеристиками:

Переменные составляющие циклов напряжений

(3.5)

(3.6)

где: -момент сопротивления вала изгибу

— момент сопротивления вала кручению

Общие коэффициенты концентрации напряжений

(3.7)

(3.8)

Проверочный расчет на сопротивление усталости в сечении под уплотнительным кольцом:

Прочность вала в сечении находится в пределах допустимых значений, но для ее увеличения проточку под уплотнительное кольцо на валу делать не будем, a заменим ее фаской на ступице ножа, тем самым повысив прочность вала.

Проверочный расчет на сопротивление усталости в сечении под подшипником:

Прочность вала в сечении обеспечена.

3.7 Расчет болтового соединения

Исходные данные: P = 900 H [4], болты 1125

B случае болтового соединения c зазором затяжкой болта обеспечивают достаточную силу трения между стянутыми деталями для предупреждения сдвига их и перекоса болта.

Приняв коэффициенты трения в стыке для чугунных и стальных поверхностей без смазки f = 0,15.0,2; и запаса k = 1,3, определяем необходимую силу затяжки болтов:

(3.9)

где: z — число болтов, i — число поверхностей трения, P — сила в H.

F=1,3*900/0,15*2*1=3900 Н

B зависимости от предполагаемого диаметра резьбы, принимаем коэффициент запаса прочности и тогда:

3.10)

Находим внутренний диаметр болта:

(3.11)

Этому значению d₁ соответствует болт М25×1.

3.8 Обоснование параметров ротора с вертикальной осью вращения

Основными параметрами роторов являются радиус и число ножей, которые обычно задают. Чтобы найти условие, соответствующее работе ротора без пропусков, определяют кинематический параметр, при котором траектории соседних ножей касаются. Например, при: Z=6 =1,8

Для обработки всего пространства внутри петли необходимо, чтобы длина крыла ножа

Если принять R=0,5 м, то = 0,22 м.

При этом подача:

Длина EC необработанной полосы АЕСМ равна 0,085 м.

Поскольку длина участка ЕС обрабатывается двумя ножами, то, чтобы исключить образование пропуска АЕСМ, необходимо уменьшить подачу на 0,5 ЕС.

Тогда:

Откуда:

Таким образом, для исключения пропусков ротор с R=0,5 и =6 должен работать при 2,1. Длину крыла ножа в этом случае нет необходимости увеличивать, так как в окрестностях точки К почва будет разрушатся волной деформации, распространяющейся в зоне движения ножа.

Если почва достаточно рыхлая, то зона ее разрушения при движении ножа будет намного больше длины крыла которую следует принимать в этом случае, основываясь на экспериментальных данных.

Для расчета сил и моментов, действующих на вертикальный ротор, а также мощности, которую он реализует, прием R=0,5 м, =2,2, =6, = 0,22 м. предложенный упрощенный метод расчета сил, действующих на вертикальный ротор, предусматривает вычисление сил в определенных точках траектории ножей и определение средней величины силы и момента.

Поскольку, =6, то расчетные точки траектории будут соотвецтывать следующим углам:

Вертикальную проекцию крыла ножа найдем по формуле:

Приняв и учитывая, что = 0,22 м, имеем .

Пологая, что фронтальная ширина вертикально стойки ножа равна 0,03 м, а обработка почвы ведется на глубину h=0,1 м, находим фронтальную проекцию стойки .

По формуле рассчитываем суммарную фронтальную проекцию крыла и стойки ножа:

Определим проекцию для расчетных точек. Для этого по формуле вычислим для указанных точек угол. Получим:

Приняв угол j=50°, по формуле найдем:

Подставляя полученные значения углов атаки б крыла ножа в формулу, найдем фронтальную проекцию ножа в расчетных точках, а именно:

Принимая удельное сопротивление почвы, вычислим по формуле результирующую реакцию почвы на нож в расчетных точках

4. Охрана труда

4.1 Обоснование проектных решений в области охраны труда

Основной задачей руководящих, инженерно-технических работников и специалистов в области охраны труда является строгое соблюдение правил и норм Техники безопасности и производственной санитарии. Необходимо рассматривать вопросы и уделить внимание на производстве безопасным условиям труда, внедрению на всех предприятиях современных средств техники безопасности, обеспечению санитарно-технических условий, устраняющих травматизм на производстве и профессиональные заболевания.

C ростом технического перевооружения сельского хозяйства всё более интенсивно увеличивается число работников, привлекаемых к труду повышенной опасности. Поэтому увеличивается ответственность всех и каждого за соблюдением правил безопасного ведения работ, за создание условий, исключающих травматизм и профессиональные заболевания.