Введение
Важной технологической операцией при уходах за лесными культурами является механизированное срезание ветвей нежелательной растительности. Как правило рабочий орган представляет из себя ротор с жестко или шарнирно закрепленным режущими элементами. Рабочие органы, которыми проводится резание отличаются по конструкции и энергетическим затратам на процесс резания. Bingqiang Li ·создал динамическую модель системы ротор-лопатка с учетом влияние нелинейных опор. Вал моделируется как вращающаяся балка, а лопасти как балка Эйлера-Бернулли. Провел анализ нелинейной вибрации и динамической устойчивости роторно-лопастной системы [1]. Kun Yu разработал динамическую модель роторной системы, которая позволяет проводить анализ сигналов неисправности, вызванных ударными воздействиями. Установил ключевые факторы обнаружения неисправностей – импульс в полосе высоких частот и быстро меняющейся частотно-модулированный сигнал [2,3]. Yuqi Li. разработал динамическую модель, которая позволяет прогнозировать характеристики системы ротор-подшипник с болтовым соединением и исследовать влияние ротора на возникающие на нем реакции [4]. Предложил новый индекс для выявления неисправностей роторной системы на основе метода частотных характеристик высокого порядка к общей выходной характеристике ротора [5]. Хinxing MA Используя Matlab и Ansys разработал имитационную модель двухроторной системы с демпфером на подшипниках качения. Исследовал характеристики виброотклика и установил скачки амплитуды для разных скоростей вращения ротора [6]. Jafar Aghayari провел исследования по снижению вибрации ротора с лопастями для увеличения его срока службы. Используя метод конечных элементов определил моды и диаграммы ротора и решил методом Рунге-Кутты его уравнения движения [7]. Chao Xiong Разработал аналитическую модель учитывающую распределение сил по трем осям. основанная на анализе напряжений. Определены зависимости напряжений от глубины резания. Определено влияние коэффициента теплопередачи на величину термических напряжений [8]. Ebrahim Farrokh разработал методологию для прогнозирования времени смены лезвия ротора. На основании статистических данных установил зависимость между времени смены резца и скоростью резания. По результатам статистического анализа установил основные параметры резца, влияющие на его износ. Получил модель износа резца на основании статистических данных [9]. Yang Liu Исследовал динамику роторов на лабораторном стенд включающим двигатель, ротор, измерительное оборудование передающее сигнал через USB порт на ноутбук с установленным ПО LabView. Разработал динамическую модель двухдисковой роторной системы. Установил влияние скорости вращения ротора и зазора в его подшипнике на вибрацию [10]. Марков А.М. установил взаимосвязь между силой резания и напряжениями при механической обработке материала [11]. Родионов В.Е. Разработал установку и получил зависимости усилия резания от перемещения ножа для процесса бесстружечного резания ножевыми рабочими органами [12].
Для исследования работы машин для резания ветвей нами были созданы имитационные модели обрезчика в Solidwokrs и ротора с гибкими рабочими органами в системах Unity и Matlab Simulink [13,14,15].
В настоящее время для экспериментального исследования параметров машин широко используются системы, основанные на тензометрии, однако наряду с ними все активнее внедряется цифровой интерфейс в измерительные средства такие как осциллографы и мультиметры. При исследовании процесса резания ветвей ротором, который приводится во вращение электродвигателем, силы сопротивления резания будут создавать крутящий момент на валу что приведёт к изменению потребляемой силы тока. Изменение силы тока можно измерить мультиметром, что позволит установить мощностные показатели процесса резания для исследуемых роторов.
Задачи исследования:
- проведение реверс-инжиниринга и ротора с жестко и шарнирно установленным лезвием;
- разработка принципа подключения измерительного оборудования.
- проведение измерение мощности резания для двух типов рабочих органов.
Материалы и методы.
Используя реверс-инжиниринг с помощью САПР Solidworks разработаем 3D модель роторов с жестко установленным и шарнирно-закрепленными лезвиями, оба ротора вращаются относительно оси О. Для всех деталей установим материал – простая углеродистая сталь. Рабочая зона составляет 0,26 и 0,15 м для ротора с жестким и шарнирно-закрепленными лезвиями соответственно.
Ротор с жестко установленным лезвием показан на рис. 1, а его 3D модель на рис. 2.
|
|
|
Рисунок 1. Общий вид ротора с жестко установленным лезвием |
Figure 1. General view of the rotor with a rigidly installed blade
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
|
|
|
Рисунок 2. Общий вид 3D модели ротора с жестко установленным лезвием |
Figure 2. General view of the 3D model of the rotor with a rigidly installed blade
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Ротор с шарнирно установленными лезвиями показан на рис. 3, а его 3D модель на рис. 4.
|
|
|
Рисунок 3. Общий вид ротора с шарнирно установленными лезвиями |
Figure 3. The general view of the rotor with the rotating blades
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
|
|
|
Рисунок 4. Общий вид 3D модели ротора с шарнирно установленными лезвиями |
Figure 4. General view of the 3D model of the rotor with with the rotating blades
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Основные геометрические и массовые характеристики роторов полученные в результате реверс-инжиниринга приведены в табл. 1 .
Таблица 1
Кинематические и динамические параметры роторов с жестким и шарнирно-сочлененными ножами полученные с помощью САПР
Table 1
Kinematic and dynamic parameters of rotors with rigid and articulated knives obtained using CAD
|
№ |
Параметр | Parameter |
Жесткий нож | fixed blade |
Шарнирно-сочлененный нож | articulated blade |
|
1 |
m, кг | kg |
0.45 |
0.33 |
|
2 |
Lоа, м | m |
0.155 |
|
|
3 |
Laв, м | m |
|
0.125 |
|
4 |
Ix, кг×мм2 | kg×mm2 |
[168, 6, 0] |
[415,0, 0] |
|
5 |
Iy, кг×мм2 | kg×mm2 |
[6, 4106, 0] |
[0,415, 0] |
|
6 |
Iz, кг×мм2 | kg×mm2 |
[0, 0, 4247] |
[0,0, 829] |
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Для получения мощностных показателей процесса резания ветвей роторами используем шунт, и мультиметр подключенный как показано на рисунке 5.
Питание 220 В подается на розетку 1, в качестве нагрузки выступает двигатель кустореза, подключенный вилкой 2, на шунте 3 происходит падение напряжения, которое измеряем мультиметром 4 и через usb разъём с помощью прилагаемого к мультиметру ПО записываем показания на компьютер.
Параметры используемого оборудования: электропривод кустореза с частотой вращения вала ротора 8000 об/мин, максимальной мощность 1000 Вт; мультиметр UNI-T 61E; шунт 75ШИП1-5-0.5, (5А 75мВ).
|
|
|
Рисунок 5. Принцип подключения измерительного оборудования |
Figure 5. The general view of the rotor with the rotating blades
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
Набор ветвей для резания с диаметром 1…3 см установим непосредственно в грунт (рис. 6), заглубив их на величину 10…20 см.
|
|
|
Рисунок 6. Набор ветвей для резания |
Figure 6. Set of branches for cutting
Источник: собственное фото авторов
Такой способ крепления максимально приближен к реальному произрастанию древесно-кустарниковой растительности.
Результаты и обсуждение.
Общий вид проводимого эксперимента показан на рис. 7. Из фото видно что показания с мультиметра поступают на компьютер, который их записывает. Непосредственно на фото можно видеть момент резания ветви и напряжение на шунте 43.12 мВ.
|
|
|
Рисунок 7. Измерение напряжение при резании ветвей |
Figure 7. Measurement voltage when cutting branches
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
Для определения мощности на основании измерения падения напряжения на шунте используем закон Ома
(1)
Момент резания ветвей ротором с жестко уставленным лезвием показан на рис.8а, а ротором с шарнирно установленными лезвиями на рис. 8б.
|
а) б) |
|
Рисунок 8. Резание ветвей: а – жесткое лезвие, б – шарнирно-сочленённый нож |
Figure 8. Cutting branches:
a - rigid blade, b - articulated knife
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
|
Записанные значения напряжения для процесса резания ветвей диаметром 12…20 мм были сведены в электронную таблицу Excel. Данные были обработаны, усреднены, каждое значение было пересчитано по формуле (1) и определена мощность резания, представленная на рисунках 9, 10.
|
|
|
Рисунок 9. Экспериментальная мощность резания ветвей диаметром 12…20 мм шарнирно-сочлененным лезвием Figure 9. Experimental cutting power of a branch with a diameter of 12…20 mm with an articulated blade Источник: собственный результат авторов Source: Authors' own result
Рисунок 10. Экспериментальная мощность резания ветви диаметром 12…20 мм жестко установленным лезвием на роторе Figure 10. Experimental power of cutting a branch with a diameter of 12…20 mm with a fixed blade on the rotor Источник: собственный результат авторов Source: Authors' own result
|
Из графиков следует что при начале вращения ротора происходит кратковременный всплеск мощности до значений 1800,1200 Вт для жесткого и шарнирно-сочлененного лезвия соответственно. Всплеск связан с преодолением инерции вращения рабочих органов и привода. Т.к. масса жесткого ножа больше то при прочих равных значениях привода, затраты энергии больше. Для поддержания частоты вращения на холостом ходу 8000 об/мин для ротора с шарнирно-сочлененным рабочим органом требуется 400 Вт, а при встрече с ветвями происходят соответствующие диаметрам срезаемых ветвей всплески на уровне 400…1200 Вт. При работе ротора с жестко установленным лезвием для поддержание его холостого хода на 8000 об/мин требуется 650 Вт, и за счет большей инерции при резании всплески меньше, чем у шарнирно-сочлененного рабочего органа 650…700 Вт.
Выводы.
1. Спроектированы с помощью САПР рабочие органы с шарнирно-сочлененными и жестко установленным на роторах лезвиями, определены их массовые 0,45, 0,33 кг и геометрические параметры ОА = 0,155 м АВ = 0,125м а также моменты инерции Ix, Iy, Iz.
2. Разработан принцип подключения измерительного оборудования мультиметр UNI-T 61E; шунт 75ШИП1-5-0.5 для измерения мощности резания ветвей.
3. Проведены экспериментальные исследования и установлены различия в мощностных показателях резания для двух типов рабочих органов. Ротор с шарнирно-сочлененными лезвиями при резании ветвей 12…20 мм потребляет 400…1200 Вт, а ротор с жестко установленным лезвием 650…700 Вт.
