Теоретические предпосылки к бионическому обоснованию параметров рабочих органов кольчато-режущего почвообрабатывающего катка

МЕХАНИЗАЦИЯ

УДК 631.314:612

ёо1: 10.30766/2072-9081.2018.67.6.121-127

Теоретические предпосылки к бионическому обоснованию параметров рабочих органов кольчато-режущего почвообрабатывающего катка*

Л.Ф. Бабицкий, И.В. Соболевский, В.А. Куклин, Я.Н. Исмаилов

Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», г. Симферополь, Республика Крым, Российская Федерация

Поверхностная обработка с прикатыванием почвы является важнейшей технологической операцией, оказывающей непосредственное влияние на условия роста и развития корневой системы растений, и, в конечном итоге, на урожайность возделываемых полевых культур. Для повышения эффективности этого процесса при разработке новых форм и обосновании параметров и режимов работы почвообрабатывающих устройств следует использовать механико-бионический подход, хорошо зарекомендовавший себя при разработке конструктивных схем и обосновании параметров различных сельскохозяйственных машин. Конечным результатом является адаптация рабочего органа, приведение его к подобию живого организма и придания ему определённых геометрических форм, динамики движения и свойств живого прототипа. При этом используются методы общей теории систем, земледельческой механики, механики сплошной среды, интегрального и дифференциального исчисления. Исходными данными для обоснования параметров являются физико-механические свойства почвы: деформационный показатель почвы, модуль сдвига, коэффициент бокового расширения, коэффициент трения. В статье обоснована оптимальная форма рабочей поверхности рыхлительных элементов кольчато-режущего катка. Получены теоретические зависимости по обоснованию основных конструктивных параметров катка. Для почвенных условий Республики Крым их рациональные значения равны: шаг расстановки рыхлительных элементов S = 160 мм, ширина контактарыхлительного элемента катка с почвой Ь = 45...50 мм, количество рыхлительных элементов ^ = 12 шт., диаметр рыхлительного элемента катка Бр.э. = 48. 54 мм, высота рыхлительного элемента катка Н = 42.46 мм Рассмотрена кинематика процесса взаимодействия рыхлительных элементов с почвой и получена зависимость для определения полного тягового сопротивления почвообрабатывающего кольчато-режущего катка.

Ключевые слова: прикатывание почвы, биологический прототип, виброударное воздействие, качество прика-тывания, тяговое сопротивление, рыхлительный элемент

Рост урожайности сельскохозяйственных культур неразрывно связан с повышением качества подготовки почвы, цель которой заключается в создании требуемой структуры и плотности посевного слоя. В связи с этим, особое внимание следует уделить процессам рыхления, прикатывания и выравнивания почвы. Существующие конструкции серийных почвообрабатывающих катков не могут обеспечить требуемое качество рыхления, прика-тывания и разравнивания поверхности почвы, особенно в почвенно-климатических зонах с недостаточным количеством осадков. Решением данной проблемы является использование механико-бионического подхода для аналитического описания оптимальных форм и параметров рабочих органов почвообрабатывающих катков с целью более эффективного процесса воздействия на почву [1]. В настоящее время методы бионики широко применяются при разработке конструктивных схем и обосновании параметров различных сельскохозяй-

ственных [2, 3] и почвообрабатывающих машин [4]. Поэтому для обоснования оптимальных параметров и режимов работы необходимо использовать сельскохозяйственную техническую бионику в сочетании с биосистемным подходом [1].

Цель исследований - разработка теоретических предпосылок к бионическому обоснованию параметров рабочих органов кольча-то-режущего почвообрабатывающего катка.

Материал и методы. Научные основы обоснования рациональных параметров земледельческих машин и орудий были заложены академиком В.П. Горячкиным [5], впервые применившим законы механики к описанию процессов работы сельскохозяйственных машин и орудий. Доктором технических наук, профессором Гудковым А.Н. было предложено при теоретическом рассмотрении технологических процессов работы машин и орудий учитывать характер живой материи растений, животных и почвы [6]. Живые организмы,

^Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования, науки и молодежи Республики Крым в рамках научного проекта № 18-48-910001.

обитающие в почве, в результате эволюционного развития усовершенствовали роющие конечности с идеальными геометрическими параметрами и кинематикой движения, что позволяет им производить ее рыхление и уплотнение наиболее эффективно при минимальных энергозатратах. В общем случае, следуя этому, рассматривается биологическая система «почва-растение-атмосфера». В эту систему внедряется искусственный почвообрабатывающий рабочий орган, который создается по биологическому прототипу бионического объекта, родственного этой системе и функционирующего в ней. Результатом является адаптация рабочего органа, приведение его к подобию живого организма и придания ему определённых геометрических форм, динамики движения (многоконтактно-ударное воздействие) и свойств живого прототипа. При этом используются методы общей теории систем, земледельческой механики, механики сплошной среды, интегрального и дифференциального исчисления. Исходными данными для обоснования параметров являются физико-механические свойства почвы: деформационный показатель почвы, модуль сдвига, коэффициент бокового расширения и коэффициент трения.

Результаты и их обсуждение. Объектом теоретического исследования является технологический процесс взаимодействия кольчато-режущих рабочих органов катка с почвой. Поисковыми исследованиями применительно к рых-лительным рабочим органам установлено, что землероющие насекомые, в частности жук-носорог, производят эффективное внедрение в почву передними лапами с зубцами, расположенными с определенным шагом и связанными с шириной зубцов Ъ. Так как предлагаемый кольчато-режущий каток содержит рыхлитель-ные элементы на ротационных дисках, расположенные с определённым шагом 5, то в качестве их бионического прототипа можно использовать конечности жука-носорога (рис. 1).

На основании данного принципа разработана конструктивная схема почвообрабатывающего катка, содержащего установленные на раме 1 цилиндрические ротационные диски 2 с рыхлительными элементами 3 по форме зубьев лапы жука-носорога (рис. 2, а) [7].

Рыхлительные резиновые элементы 3 (рис. 2, б) имеют форму усечённых конусов 4, боковая поверхность 5 которых выполнена по отрезку логарифмической спирали, и прижимаются к ротационным дискам 2 пружинами 6 и полусферическими головками 7.

Полусферические головки 7 имеют форму логарифмической кривой 8 с направляющими штифтами 9, которые жёстко скреплены с дисками 2 посредством резьбовых соединений 10, а полусферические головки 11 штифтов 9 имеют проточки 12. Режущая кромка 18 ножей 17 выполнена в виде отрезка логарифмической спирали 19 с зубьями 15 и впадинами 16. Рычаги 13 имеют нижний ограничитель колебаний 19 и верхний 20, состоящий из упругих пластин 21 и прорезиненных бойков 22, взаимодействующих с резиновыми ударниками 23 рычагов 13 (рис. 2) [7].

Количество рыхлительных элементов на рабочей поверхности дисков рассчитали в соответствии со схемой на рисунке 2 по формуле:

ь + э-ъ

2 = —Г"'

где Ь - длина окружности цилиндрического ротационного диска, определяемая из выражения:

Ь = п-0,

где В - диаметр диска; Ъ - ширина контакта рыхлительного элемента с почвой; 5 - шаг расстановки рыхлительных элементов, определяли из выражения: Ь

5 =

Z—(1—2K)'

где Z - количество рыхлительных элементов, К - коэффициент расстановки, получили из выражения:

ъп

s

Рис. 1. Роющая конечность жука-носорога

Распределение давления в зоне контакта полусферической головки рыхлительного элемента катка в форме усеченных конусов (рис. 3, б) с боковым профилем поверхности по форме логарифмической спирали, при условии равномерного давления по всей её ширине, определили по выражению:

а)

б)

Рис. 2. Схема почвообрабатывающего катка: а) вид сбоку; б) рыхлительный элемент катка

а) б)

Рис. 3. Рыхлительный элемент катка: а) распределение контактного давления при взаимодействии рыхлительного элемента катка с почвой; б) равномерное распределение контактного давления рыхлительного элемента катка с формой поверхности типа логарифмической кривой

2 mD

F

'p.3.v9

-X2

nDp3v

где m, bK - соответственно масса катка и ширина рыхлительного элемента; g - ускорение свободного падения; Х - текущая координата; и - деформационный показатель почвы [8];

Dp3- диаметр окружности полусферической головки рыхлительного элемента.

Ширину контакта рыхлительного элемента катка с почвой в плоскости движения определили с учётом ограничения давления на участке контакта:

Ь = 2

mDp3vg

K

K

Центральный угол наклона ß оси симметрии участка контакта в плоскости движения рыхлительного элемента катка находим: о  ь

ß = ar es iп—

Dpэ . * ^ '

В общем случае, на основании уравнения (7), формула для определения диаметра рыхлительного элемента катка имеет следующий вид:

4 mvg

=

рэ b s in 2 ß'

При этом высоту рыхлительного элемента (глубину заглубления) в почву (рис. 3, а) определили по выражению:

b2

h = —

и р э.

Принимая диаметр ротационного диска катка D = 600 мм и используя формулы (1), (3), (6), (8), (9), получили следующие значения конструктивных параметров: S = 160 мм, b = 45.. .50 мм, Z = 12 шт., Dp.3 = 48.54 мм, h = 42.46 мм.

Анализ расположения вершин зубьев роющих конечностей жука-носорога (рис. 1) при равномерном распределении давления на участке контакта P(t) = const показал, что они описываются логарифмической кривой [9] следующего вида (рис. 3, б):

f(x) = vPyd {(х + b/2) [In| x + b/2| + 1] -

-

vG

P

где Руд = — ft - коэффициент трения рыхлительного элемента катка о почву; G - модуль сдвига почвы.

Такая форма рыхлительного элемента катка обеспечивает равномерное распределение контактного давления на почву.

Основными параметрами, которые влияют на работу катка, являются параметры подпружиненной системы рыхлительного элемента (количество пружин рыхлительных элементов, одновременно вдавливаемых в почву, жесткость пружин, длина каждой пружины).

Для определения оптимальной жесткости пружины рассмотрим её максимальную деформацию при расположении рыхлительного элемента каждого ротационного диска катка в почве (нижней точке). При этом усилие сжатия, создаваемое массой катка, равно:

Р = 101

' сж. £ >

где - коэффициент контакта рыхлительных элементов с почвой.

Усилие вдавливания в нижней точке траектории рыхлительного элемента РсЖш будет

равно максимальной величине силы упругости пружины Ртах.упр .:

^ = Спр-

где Спр. - жесткость пружины рыхлительного элемента; Ah - величина сжатия пружины рыхлительного элемента.

Выразив жесткость пружины из выражения (12), получили уравнение вида:

т-д

г -

° пР. £ (h - h л '

с ('1н.п.р.э. '1к.пр.эJ

i.п.рэ. "к.п.рэ

где hH . п р э . - начальная длина пружины рыхлительного элемента; hKMp^ - конечная длина пружины рыхлительного элемента (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема к определению жесткости пружины рыхлительного элемента

Проведенные расчёты показали, что рациональное значение жёсткости пружины Спр. = 6.14 Н/мм.

В процессе работы катка длина заглубляемого в почву рыхлительного элемента будет изменяться в зависимости от угла поворота катка (рис. 4).

Величину сжатия пружины определили по формуле (13):

h

m-g-sin а _ m-g-sin co t

s-C,

пр

s-C,

пр

s-C,

пр

где п - сила реакции почвы; - угол

поворота диска катка.

В результате уравнение длины рыхли-тельного элемента в момент времени t будет иметь вид:

т-д

s in

h = h — A h = h —

,lp э. "h .p э. "" "H .p э. r

Ь ^ пр.

где hHp.э. - длина рыхлительного элемента катка без нагрузки.

п

При кинематическом анализе движения почвообрабатывающего катка принимаем допущение, что движение происходит с постоянной рабочей скоростью Урпо выровненной поверхности почвы. При повороте диска ра-

диусом К на угол а, при взаимодействии с почвой, крайняя точка перемещается из положения А0 в положение А\.

Движение точки А по осям Х и У можно представить следующей системой уравнений:

ХА ÇR + hp э с о s а + Vp .  t = ( R + h н рэ . — —д-  s in ш  t ) с о s ш  t + Vp . к.  t;

YA = R — ÇR + hp э ^  s in а = R — i R + h н p э .---s in ш  t j  s i пш  t.

Данная система уравнений позволит аналитически определять траекторию перемещения рыхлительных элементов катка в почве.

В соответствии с теорией движения проектируемого катка по поверхности почвы его сопротивление перекатыванию определяется по формуле Грандвуане-Горячкина [10]:

Як.=

0,86 -Р|

1 1 2 > Вз qз оз

где К к - сила тяжести катка; В - ширина захвата катка; Б - диаметр цилиндрического ротационного диска; q - объёмный коэффициент смятия почвы.

Из функциональной схемы катка (рис. 4) следует, что сила, с которой ротационный диск с рыхлительными элементами воздействует на почву, будет зависеть от силы тяжести катка P=mg и силового воздействия A h ( t). Из вышесказанного следует, что сила давления катка на почву будет равна:

Рд=т^д —Fym— Шрэ  Ah (t) , (18) где Fynp, = Спр.  A h - сила упругости рыхлитель-ного элемента.

Полное тяговое сопротивление почвообрабатывающего катка определяем:

_ Арэ. 0 , 8 6  (mдтр.э. (К.п.р.э.-К.п.р.э.) c2 ) 3s inc ,

—  /с, H

ир э.

112 ß3-q3-D3

где Арэ - работа, затрачиваемая на заглубление рыхлительного элемента; Ьрэ - величина горизонтального перемещения рыхлителя; кз - коэффициент, учитывающий количество рыхлителей, находящихся в почве.

Выражение (19) для определения полного тягового сопротивления катка учитывает конструктивные параметры, его кинематический режим работы и деформационные свойства почвы.

Экспериментальная проверка удельных энергетических показателей работы почвообрабатывающего катка (рис. 5) в сравнении с серийной моделью 3ККШ-6, выполненная в условиях опытного поля Академии биоресурсов и природопользования, подтвердила целесообразность его использования. При проведении полевых испытаний влажность почвы составляла 15...17%, твёрдость почвы 38,9...51,4 Н/см2, деформационный показатель 2,8-10 ...3,5-10 м /Н, тип почвы - чернозём южный.

а) б)

Рис. 5. Полевые испытания рабочих органов катка: а) общий вид полевой установки; б) графическая зависимость удельного тягового сопротивления катка от скорости движения

На рисунке 5 показаны графические зависимости удельного тягового сопротивления катка от скорости движения при жёсткости пружин рыхлительных элементов - 10 Н/мм в сравнении с серийной моделью.

Экспериментальный почвообрабатывающий каток обеспечивает снижение тягового сопротивления на 12.14% в сравнении с аналогом. Это достигается вибрационным воздействием рыхлительных элементов на почву. Оптимальная плотность почвы после прохода почвообрабатывающего кольчато-режущего катка создает более благоприятные условия для влагопроницаемости и всхожести семян.

Выводы. 1. На основании усовершенствованной в результате теоретических исследований, в соответствии с биосистемным подходом, функциональной схемы, разработана новая конструкция кольчато-режущего катка (патент РФ № 173240), позволяющая разрыхлять и уплотнять поверхность почвы и работающая на основе принципа компенсации возмущающих вибрационных воздействий, которые происходят при обработке почвы.

2. Установлены теоретические зависимости полного тягового сопротивления коль-чато-режущего катка от скорости движения.

3. Определены основные конструктивные параметры (количество, схема расстановки, минимальный диаметр и высота рыхли-тельных элементов на рабочей поверхности кольчато-режущего катка), а также рассмотрена кинематика процесса взаимодействия рых-лительных элементов предложенного катка с почвой, и получено уравнение траектории их движения.

Список литературы

1. Бабицкий Л.Ф., Москалевич В.Ю., Соболевский И.В. Развитие бионического направления в земледельческой механике // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2017. №4 (59). С. 68-74.

2. Бахарев Д.Н., Вольвак С.Ф. Бионические основы разработки и конструирования эффективных шипов молотильно-сепарирующих устройств для кукурузы // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2017. № 3. С. 3-13.

3. Zhang X.R., Wang C., Chen Z.H., Zeng Z.W. Design and experiment of a bionic vibratory subsoiler for banana fields in southern China. Int J Agric & Biol Eng, 2016; 9(6): 75-83.

4. Jianqiao L., Yunpeng Y., Benard C., Xuejiao W., Zhaoliang W., Meng Z., "Bionic Design for Reducing Adhesive Resistance of the Ridger Inspired by a Boar's Head," Applied Bionics and Biomechanics, vol. 2017, Article ID 8315972, 10 pages, 2017.

5. Горячкин В.П. Собрание сочинений: в 3-х т. М.: Колос, 1965. Т.1. 720 с.; Т. 2. 459 с.

6. Гудков А.Н. Теоретические основы построения рабочих процессов сельскохозяйственных машин с учетом характера живой материи растений, животных, почвы. Кн.: Земледельческая механика. М.: Машиностроение, 1966. Т. 9. С. 86-97.

7. Почвообрабатывающий каток: пат. На полезную модель 173240 Рос. Федерация. №2017104013; заявл. 07.02.2017; опубл. 17.08.2017 Бюл. № 23. 8 с.

8. Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В., Куклин В.А. Обоснование конструкции устройства для определения динамического деформационного показателя почвы // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2016. № 8 (171). С. 50-54.

9. Бабицький Л.Ф. Бютчт напрями розроб-ки грунтообробних машин. К.: Урожай, 1998. 164 с.

10. Руденко Н.Е., Падальцин К.Д. Исследование процесса взаимодействия комбинированного рабочего органа с почвой // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. № 2. С. 26-28.

Сведения об авторах:

Бабицкий Леонид Федорович, профессор, доктор техн. наук, зав. кафедрой, e-mail: kaf-meh@rambler.ru Соболевский Иван Витальевич, доцент, кандидат техн. наук, доцент, Куклин Владимир Алексеевич, кандидат техн. наук, доцент, Исмаилов Якуб Ниязиевич, аспирант

Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет

имени В. И. Вернадского», п. Аграрное, г. Симферополь, Республика Крым, Российская Федерация, 295492,

e-mail: rectorat@abip.cfuv.ru

Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka, 2018. Vol. 67, no. 6, pp. 121-127.

doi: 10.30766/2072-9081.2018.67.6.121-127

Theoretical backgrounds for the bionic substantiation of the parameters of the ring-cutting soil-cultivating roller working bodies

L.F. Babitsky, I.V. Sobolevsky, V.A. Kuklin, Y.N. Ismailov

Academy of Bioresources and Environmental Management (Academic Unit) of V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Republic of Crimea, Russian Federation

Surface treatment with soil compaction is the most important technological operation that has a direct impact on the conditions of growth and development of the root system of plants, and, as a result, on the yield of cultivated field crops. To improve the efficiency of this process in the development of new forms and justification of parameters and modes of tillage devices mechanical-bionic approach should be used, which proved effective in the development of design schemes and justification of the parameters of various agricultural machines. The final result is the adaptation of the working organ, bringing it to the image of a living organism and giving it certain geometric shapes, dynamics of movement and properties of the living prototype. The methods of the General theory of systems, agricultural mechanics, continuum mechanics, integral and differential calculus are used. The initial data for reasoning the parameters are physic-mechanical properties of soils: expansion index of soils, shear modulus, coefficient of lateral expansion, and the coefficient of friction. The article substantiates the optimal shape of the working surface of the loosening elements of the ring-cutting roller. Theoretical dependences on the justification of the main design parameters of the roller are obtained. For the soil conditions of the Republic of Crimea their rational values are equal to: a placement step of loosening elements S = 160 mm, the width of the contact of loosening element of the roller with the soil b = 45...50 mm, the amount of loosening elements Z = 12 pcs., the diameter of the loosening element Dp.3= 48...54 mm, the height of the loosening element of the roller h = 42...46 mm. The kinematics of the process of interaction of loosening elements with the soil is considered and the dependence for determining the total traction resistance of the soil-cultivating ring-cutting roller is obtained.

Key words: soil compaction, biological prototype, vibroimpact, compaction quality, traction resistance, loosening element

References

1. Babitskiy L.F., Moskalevich V.Yu., Sobo-levskiy I.V. Razvitie bionicheskogo napravleniya v zemledel'cheskoy mekhanike. [The development of bionic direction in agricultural mechanics]. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. no. 4 (59). 2017. pp. 68-74.

2. Bakharev D.N., Vol'vak S.F. Bionicheskie osnovy razrabotki i konstruirovaniya effektivnykh shipov molotil'no-separiruyushchikh ustroystv dlya kukuruzy. [Bionic bases of development and design of effective teeth of threshing and separating devices for corn]. Innovatsii v APK: problemy i perspektivy. 2017. no. 3. pp. 3-13.

3. Zhang X.R., Wang C., Chen Z.H., Zeng Z.W. Design and experiment of a bionic vibratory subsoiler for banana fields in southern China. Int J Agric & Biol Eng, 2016. no. 9(6). pp. 75-83.

4. Jianqiao L., Yunpeng Y., Benard C., Xuejiao W., Zhaoliang W., Meng Z., "Bionic Design for Reducing Adhesive Resistance of the Ridger Inspired by a Boar's Head. Applied Bionics and Biomechanics. 2017. Vol. 3. pp. 1-10. DOI: 10.1155/2017/8315972.

5. Goryachkin V.P. Sobranie sochineni: v 3-kh t. [Collected Works: in 3 vol.]. Moscow: Kolos, 1965. Vol. 1. 720 p.; Vol. 2. 459 p.

6. Gudkov A.N. Teoreticheskie osnovy postro-eniya rabochikh protsessov sel'skokhozyaystvennykh

Information about authors: L.F. Babitsky, professor, DSc in Engineering, head of the Department e-mail: kaf-meh@rambler.ru I.V. Sobolevsky, PhD in Engineering, associate professor,

V.A. Kuklin, PhD in Engineering, associate professor, Ya.N. Ismailov, postgraduate student

Academy of Bioresources and Environmental Management (Academic Unit) of V.I. Vernadsky Crimean Federal

University, p. Agrarian, Simferopol, Republic of Crimea, Russian Federation, 295492, e-mail: rectorat@abip.cfuv.ru

mashin s uchetom kharaktera zhivoy materii rasteniy, zhivotnykh, pochvy. [The theoretical bases for the development of working processes of agricultural machinery, taking into account the nature of the living matter of plants, animals, soil]. Kn.: Zemledel'cheskaya mekhanika. [Agricultural mechanics]. Moscow: Mashinostroenie, 1966. Vol. 9. pp. 86-97.

7. Pochvoobrabatyvayushchiy katok. [Tillage roller]. Patent na poleznuyu model' RF. no. 173240. 2017.

8. Babitskiy L.F., Sobolevskiy I.V., Kuklin V.A.

Obosnovanie konstruktsii ustroystva dlya opredeleniya dinamicheskogo deformatsionnogo pokazatelya pochvy. [Justification of the design of the device for determining the dynamic deformation indicator of the soil]. Izvestiya sel'skokhozyaystvennoy nauki Tavridy. 2016. no. 8 (171). pp. 50-54.

9. Babits'kiy L.F. Bionichni napryami rozrobki Truntoobrobnikh mashin. [Bionic directions for the development of soil machines]. Kiev: Urozhay, 1998. 164 p.

10. Rudenko N.E., Padal'tsin K.D. Issledovanie protsessa vzaimodeystviya kombinirovannogo rabo-chego organa s pochvoy. [Investigation of the process of interaction of the combined working body with the soil]. Sel'skokhozyayst-vennye mashiny i tekhnologii. 2014. no. 2. pp. 26-28.