Совершенствование механизации поверхностной обработки почвы в ООО «Вертуновское» Бековского района с модернизацией культиватора КНК-4

Дипломный проект

Содержание
Введение
1 Производственно-техническая характеристика ООО «Вертуновское»
1.1 Природно-климатические условия
1.2 Основные показатели хозяйственной деятельности
ООО «Вертуновское»
2 Современное состояние вопроса поверхностной обработки почвы
2.1 Технология возделывания озимой пшеницы
2.2 Обзор существующих конструкций культиваторов
2.3 Типы рабочих органов культиваторов для сплошной обработки почвы
3 Конструкторская часть
3.1 Агротехнические требования к сплошной культивации
3.2 Описание конструкторской разработки
3.3 Технологические расчеты
3.4 Прочностные расчеты культиватора
4 Расчет операционно-технологической карты
4.1 Обоснование машинно-тракторного агрегата и режима работы
4.2 Расчет кинематической характеристики агрегата и участка
4.3 Расчет производительности МТА
5 Безопасность жизнедеятельности на производстве
5.1 Охрана труда
5.2 Экологическая безопасность
6. Расчет экономической эффективности модернизации культиватора для сплошной обработки почвы.
6.1 Определение затрат на модернизацию культиватора КНК – 4.
Заключение
Литература



3 Конструкторская часть
3.1 Агротехнические требования к сплошной культивации
Сплошную культивацию проводят при подготовке к посеву и уходе за парами. Почву рыхлят без оборота обрабатываемого слоя и подрезают сорняки. При культивации следят за тем, чтобы верхний слой был мелкокомковатым, отклонение средней глубины рыхления от заданной не превышало +-10 мм, высота гребней – 40 мм, неровности дна – 20 мм, а перекрытие между смежными проходами агрегата равнялось 150 мм [21].
Культиваторы должны выполнять следующие условия:
- обеспечивать ровное дно борозды, поверхность поля должна быть ровной, без гребней и борозд (средняя гребнистость не более 4 см);
- рабочие органы культиватора должны уничтожать не менее 98...99% сорняков, без обнажения нижних влажных слоев и без перемешивания их с верхними;
- обеспечивать равномерную глубину обработки почвы в пределах от 5 до 12 см (среднее отклонение глубины от заданной не должно превышать ± 1 см);
- иметь самозатачивающиеся рабочие органы;
- создавать мелкокомковатый верхний слой почвы и добиваться равномерности глубины рыхления;
- проводить культивацию в установленные агротехнические сроки.
Нижний влажный слой не должен перемещаться на поверхность поля, а количество неподрезанных сорняков – превышать 3 %. Для лучшего выравнивания поверхности поля культивируют одновременно с боронованием. Первую культивацию проводят поперек направления пахоты, а последующую – поперек предыдущей.
3.2 Описание конструкторской разработки
Культиватор КНК – 4 предназначен для одновременного выполнения культивации, выравнивания и прикатывания поверхности почвы.

Рисунок 3.1 – Культиватор комбинированный КНК – 4Т:
1 – рама; 2 – опорное колесо; 3- навесное устройство; 4 – механизм навешивания; 5 – выравниватель почвы; 6 – прикатывающее устройство;
7 – стойка.

Культиватор комбинированный ( рисунок 3.1 ) состоит из рамы I, колеса опорного 2, двух навесных устройства 3 (для МТЗ-80 и ДТ-75), стрельчатой лапы с механизмом навешивания 4, выравнивателя почвы 5, прикатывающего устройства 6, стойк7 с фиксатором.
Рама I, сваренная по форме прямоугольника из квадратных труб имеет три поперечных (относительно хода агрегата) бруса. На переднем брусе крепятся навесное устройство, два опорных колеса и первый ряд стрельчатых лап. Спереди на переднем брусе, под местами крепления навески, приварены кронштейн. 3 пазы кронштейнов вставляется ось для автоматического замыкания, навешенного на трактор культиватора.
Второй ряд лап крепится на среднем брусе рамы.
В результате установки модернизированных культиваторных лап повышается эксплуатационная надежность и снижается тяговое сопротивление культиватора.
Предлагаемый рабочий орган культиватора включает стойку 1, наральник 2, стакан 3, стержень переменного сечения 4, рыхлительную лапу 5. К наральнику 2 жестко прикреплен стакан 3, в полости которого размещается задняя часть стержня 7 и пружина с нелинейной характеристикой 8. Рыхлительная лапа 5 установлена на стержне переменного сечения 4 с возможностью поворота относительно него и фиксируется от выпадения болтом. Упругий элемент рессорного типа 6 относительно рыхлительной лапы фиксируется с помощью шпилек и гаек. Степень сжатия пружины 8 регулируется корончатой гайкой 10, стопорящейся шплинтом 9 и одновременно фиксирующей упругий элемент рессорного типа 6 относительно стакана.


Рисунок 3.2 – Лапа культиватора:
1 – стойка; 2– наральник; 3 – стакан; 4 – стержень; 5– лапа; 6 – упругий элемент; 7 – задняя часть стержня; 8 – пружина; 9 – шплинт; 10 – корончатая гайка.
Рабочий орган культиватора работает следующим образом.
При движении вследствие неоднородности строения почвы, изменения скоростного режима возникают автоколебания культиваторной лапы, складывающиеся из автоколебаний по ходу движения культиватора и автоколебаний по углу поворота культиваторной лапы относительно стержня. Такие колебания культиваторной лапы улучшают крошение пласта почвы и срез сорной растительности, способствуют снижению тягового сопротивления и увеличивают диапазон применения на почвах различной плотности и влажности.
3.3 Технологические расчеты
3.3.1 Определение тягового сопротивления культиватора КНК – 4М
Определяем тяговое сопротивление культиватора КНК – 4 М при сплошной обработке по формуле [10]:
          (3.1)
где - удельное сопротивление, Н/м;
- ширина захвата культиватора при сплошной обработке, м.
Значение удельного сопротивления культиватора на 1м ширины захвата с учетом сопротивления перекатывания приведены в таблице [10], т.е. .
.
Определяем нагрузку приходящуюся на одну лапу культиватора:
          (3.2)
где n – количество лап культиватора.

3.3.2 Определение угла раствора лезвий лапы и расстановки рабочих органов на культиваторе.
Лапа культиватора действует на почву как клин с углом α (угол подъема), создавая в ней сжимающие и сдвигающие напряжения. Угол 2γ между режущими лезвиями лапы в горизонтальной плоскости называют углом раствора (рисунок 3.2). От значения γ зависит степень подрезания сорняков.
Для предотвращения обволакивания лезвия сорняками и почвой необходимо, чтобы
γ<90°-φ         (3.3)
где φ = 26,5° — угол трения сорняка по лезвию лапы.
При γ> 90° — φ резание происходит без скольжения.
Определяем угол раствора лезвий лапы при коэффициенте трения сорняков о лезвие f = 0,82.

Рисунок 3.2 – Схема сил действующих на лапу культиватора .
Как видно из рисунка, получим составляющую направленную вдоль лезвия Nт = RCosγ, и нормальную реакцию Nт = RSinγ . Для резания со скольжением необходимо выполнения условия [17]:
Nт ≤F,
где F=N∙tgφ=N∙f
Подставив в это условие значение сил, получим
RCosγ>RSinγ∙tgφ.
или tgγ<1/tgφ=ctgφ=tg(90-φ).
тогда γ<90-φ=90-〖48,5〗^0=〖41,5〗^0.
Следовательно, 2γ≤〖83〗^0.
По опытным данным сопротивление резанию при γ > 90° — φ увеличивается и может происходить выдергивание и обматывание лезвия корнями. Аналогичное явление получается и при увеличении влажности. Корни на концах лезвия иногда подрезаются не полностью, если путь движения их по лезвию оказывается коротким. Для устранения этой опасности лапы культиваторов расставляют в два ряда с некоторым перекрытием ∆b, значение которого выбирают из условия обеспечения полного подрезания:
∆b=Ltgδ          (3.4)
где L — расстояние между передней и задней лапами; δ= 7.. .9° — угол случайного отклонения культиваторов от прямой линии.
Для обеспечения полного подрезания сорняков и предотвращения забивания лапы устанавливают в два или три ряда. Причем стрельчатые лапы рекомендуется размещать впереди односторонних для получения более равномерной глубины обработки и ровной поверхности. Нагрузки, воспринимаемые лапами культиватора первого ряда, примерно в 2 раза больше нагрузок лап второго ряда. Это объясняется тем, что лапы первого ряда воздействуют на еще не деформированную почву [2].
Оптимальное расстояние между лапами по ходу определяют по
выражению:
       (3.5)
где φ – угол трения почвы о металл; принимаем φ=25°;
2 γ – угол раствора лезвия лапы.
.
Принимаем L=550мм.
Тогда величина перекрытия ∆b будет равна:
∆b=550∙〖tg7〗^0=67мм.

Рисунок 3.3 – Схема расстановки рабочих органов.
Расстояние между лапами в ряду определяется по формуле:
B=2b-2∆b,
где b - ширина захвата лапы культиватора, b=330мм.
B=2∙330-2∙67=526мм.
3.4 Прочностные расчеты культиватора
Расчет предохранительной нажимной пружины

Рисунок 3.5 – Схема для расчета предохранительного устройства
Определим усилие, при котором лапа культиватора должна выглубляться из почвы [2]:
         (3.6)
где – тяговое сопротивление культиватора, ;
n – число рабочих органов культиватора;
k – коэффициент запаса устойчивости хода рабочих органов,
k = 1,5...2,5 принимаем k = 1,5 [17].
   (3.7)
Определим усилие натяжения пружины при срабатывании предохранительного устройства [2]:
     (3.8)
где H и l – плечи сил Q и F.

Условие прочности для цилиндрических пружин [5]:
  (3.9)
где τ – расчётное максимальное напряжение в поперечных сечениях витков пружины, МПа;
[τ] – допускаемые напряжения для проволоки пружины, МПа;
k – коэффициент влияния на напряжения кривизны витков и поперечной силы;
F – максимальная сжимающая сила, Н;
с – индекс пружины.
          (3.10)
где d – диаметр проволоки пружины, мм;
D – средний диаметр пружины, мм.
Определяем силы при начальной деформации и максимальной деформации
Пружина изготовлена из хромованадиевой стали 50 ХФА-4А ГОСТ 14959 - 79. Полагая, что диаметр проволоки пружины равен d = 11 мм, примем допускаемое напряжение для проволоки [τ] = 610 МПа, что соответствует рекомендации ГОСТ 13764 - 86.
Сила пружины при начальной нагрузке определяем по формуле [5]:
F1= (0,1...0,5)∙F2,         (3.11)
при максимальной деформации определяем по формуле:
F3= (l,05...1,66)∙F2,        (3.12)
Предположим, что F1= 0,3∙F2, F3= 1,2∙F2,получаем:
F1 = 0,3∙3100 = 930 Н;
F3 = 1,2∙3100 = 3720 Н.
Примем индекс пружины с = 8 [5]. Коэффициент влияния кривизны витков k = 1,17 [5].
Из условия прочности определяем [формула (3.9)] диаметр проволоки пружины [5]:

В соответствии с ГОСТ 14959 – 79 окончательно принимаем d = 12 мм.
Проверка прочности пружины проводится по формуле :
τ = 8•1,17•3720•8/(3,14•122) = 616 МПа>[τ] = 610 МПа.
Определяем средний диаметр пружины D и наружный диаметр пружины Dн .
D = c • d = 8 • 12 = 88 мм.
Dн = D + d = 88+ 12=100 мм.
Определяем жесткость одного витка пружины [5]:
С1 = 104•d/c3 =104•12/83 = 234,4 Н/мм.
Определяем жесткость пружины:
С = (F2—F1)/h;         (3.13)
С = (3100 —930)/55 = 39,45Н/мм.
Определяем число рабочих витков пружины:
n = С1 /С;          (3.14)
n = 234,4/39,45 =5,94.
Примем n = 6.
Уточняем жёсткость пружины и начальную нагрузку
С = С1/ n =234,4/6 = 39 Н/мм.
F1 = F2 - С • h = 3100 – 39 • 55 = 955Н.
Определяем деформации пружин:
Предварительную деформацию вычисляем по формуле:
λ1 = F1/С = 955/39= 24,5 мм.
Рабочую деформацию вычисляем по формуле:
λ2 = F2/С = 3100/39 = 79,5 мм.
Максимальную деформацию вычисляем по формуле:
λ3 = F3/С = 3720/39 = 95,4 мм.
Максимальную деформацию одного витка пружины определяем по формуле[5]:
λ́3 = λ3/n = 95,4/6 = 15,9 мм.
Определяем полное число витков пружины:
n1 =n + n2,
где n2 – число опорных витков(n2 = 1,5...2), принимаем n2= 2.
n1 = 6+ 2= 8.
Определяем шаг пружины:
t = λ́3+d=15,9 + 12 = 27,9 мм.
Определяем высоту пружины при максимальной деформации:
L3 = (n1 + 1 – n3)d,        (3.15)
где n3 – число зашлифованных витков, примем n3 = 2.
L3 = 12 • (8 +1 – 2) = 84 мм.
Определяем высоту пружины в свободном состоянии:
L0 = L3 + λ3 =84 + 95,4 = 179,4 мм.
Определяем высоту пружины при рабочей деформации:
L2 = L0 - λ2 = 179,4 – 79,5 = 99,9 мм.
Определяем высоту пружины при предварительной деформации:
L1 = L0 – λ1 =179,4 – 24,5 = 154,9 мм.
Длина развернутой пружины определяется по формуле:
L = 3,2 • D • n1;         (3,16)
L0 =3,2 • 100 • 8=2560мм.
Определяем угол подъема витков:
α = arctg α = arctg t/π•D = arctg 27,9/(3,14∙100) = arctg0,088 = 5 °.

Рисунок 3.6 – Расчетная схема полученной пружины.
Выводы по разделу
Разработанные рабочие органы культиватора улучшают крошение пласта почвы и срез сорной растительности, способствуют снижению тягового сопротивления и увеличивают диапазон применения культиватора на почвах различной плотности и влажности. Определены тяговые сопротивления культиватора и подобраны предохранительные пружины.