Обоснование оптимальных режимов работы культиваторных лап на виброударной подвеске

МЕХАНИЗАЦИЯ

УДК 631.31

Обоснование оптимальных режимов работы культиваторных лап на виброударной подвеске

Бабицкий Леонид Федорович, профессор, доктор техн. наук, зав. кафедрой, Соболевский Иван Витальевич, доцент, кандидат техн. наук, доцент кафедры, Куклин Владимир Алексеевич, кандидат техн. наук, доцент кафедры Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», г. Симферополь, Россия

E-mail: kaf-meh@rambler.ru

Наиболее энергозатратной операцией в сельскохозяйственном производстве является обработка почвы, на выполнение которой расходуется до 40% от суммарных затрат энергии. Использование в конструкции рабочих органов различных виброударных элементов позволяет обеспечить более интенсивное крошение почвы и меньшую энергоемкость процесса за счет переменного сопротивления почвы в соответствии с фазами ее деформации и разрушения. Объектом данного исследования является разработанная конструкция культиваторной лапы на виброударной подвеске. Предмет исследований - взаимосвязь конструктивных параметров и режимов работы предлагаемого устройства с качественными и энергетическими показателями работы. Особенностью разработанного рабочего органа культиватора является наличие C-образной упругой стойки, верхняя часть которой выполнена в виде цилиндрической пружины с полусферическими ударниками между витками. Возникающая в процессе работы данной конструкции вибрация стойки обеспечит периодическое соударение полусферических ударников, расположенных между витками пружины, и будет способствовать активизации процесса крошения почвы и самоочищению лапы. При обосновании параметров конструкции и режимов работы применялись методы теоретической и земледельческой механики, теории удара. Получены теоретические зависимости, связывающие жесткость виброударной пружины, амплитуду колебаний с режимами обработки почвы, ее физико-механическими свойствами, а также конструктивными параметрами рабочего органа. С увеличением числа пар ударников n рациональное значение амплитуды колебаний пружины снижается и при n = 6 составляет 8 мм Экспериментальные исследования показали, что с увеличением количества пар ударников n наблюдается снижение энергоемкости обработки на 7...16%, при улучшении качественных показателей, находящихся в пределах погрешности опыта, и удовлетворяющих агротехническим требованиям. При этом наибольшее падение энергоемкости наблюдается при n = 6. Дальнейшее увеличение n нецелесообразно, поскольку разница между вариантами n = 6 и n = 8 не превышает 3%.

Ключевые слова: обработка почвы, активный рабочий орган, вибрация, удар, виброударное воздействие, полушаровый ударник, пружина, тяговое сопротивление, амплитуда колебаний

Машинные технологии возделывания полевых культур включают в себя ряд технологических операций, характеризующихся повышенным расходом горюче-смазочных материалов. В частности, на долю механической обработки почвы приходится до 40% расходуемой энергии, что вносит существенный вклад в себестоимость получаемой продукции [1, 2]. Ежегодный рост цен на энергоносители требует поиска новых технологических подходов и путей снижения энергоемкости при выполнении основных агротехнологических операций. Применяемые орудия для обработки почвы, как правило, содержат пассивные рабочие органы, не обеспечивающие оптимальных качественных и энергетических показателей процесса крошения почвы. Введение в конструкцию почвообрабатывающих рабочих органов дополнительных упругих звеньев, а также различных виброударных элементов позволяет обеспечить оптимальные режимы осуществления технологического процесса [3, 4, 5].

Цель исследований - теоретическое обоснование оптимальных конструктивных параметров и режимов работы культиватор-ных лап на виброударной подвеске.

Материал и методы. Объектом выполняемого исследования является разработанная конструкция культиваторной лапы на виброударной подвеске. Предмет исследований -взаимосвязь конструктивных параметров и режимов работы предлагаемого устройства с качественными и энергетическими показателями обработки почвы.

Разработанный рабочий орган культиватора на виброударной подвеске [6] кроме стрельчатой культиваторной лапы содержит ^образную упругую стойку, верхняя часть которой выполнена в виде цилиндрической пружины с полусферическими ударниками между витками (рис. 1).

Возникающая в процессе работы данной конструкции вибрация стойки приводит к периодическому соударению полусферических

ударников, расположенных между витками пружины, и активизации процесса крошения почвы и самоочищению лапы.

Результаты и их обсуждение. Для рассмотрения динамических процессов в системе «виброударный рабочий орган - почва» используем теорию удара.

а

б

Рис. 1. Рабочий орган культиватора на виброударной подвеске а) схема

Усилие, возникающее при соударении двух ударников полушаровой формы, имеет вид [7]:

р _ 1,14 Л2

ГУД _ 1

к1  ат

•81П

1,068у  t

б) общий вид

Коэффициент кх, учитывающий соотношение масс соударяемых звеньев щит, равен:

, щ + щ

К _——2

где у - скорость удара, м/с; К - коэффициент, учитывающий соотношение масс соуда-ряемых звеньев; а - наибольшая величина

сжатия при ударе, м; t - время, с.

Среднее значение силы удара, изменяющейся по синусоидальному закону, составит [8]:

Задаваясь коэффициентом 8 _ !щ-, из

т.

уравнения (4) получим:

8 + 1

К1 _-

8

гср_ 2, МАХ _ 2  1,14  у2 _ 0,726  у2 ж ж  К  а К  ат

1 т 1 т

Величину наибольшего сжатия ударников в точке соударения определим по формуле:

2

15 Л

15пУ0

1

V Г1  г2 У

С учетом количества пар п соударяемых полушаровых ударников и после приведения силы удара к носку лапы получим:

где §1_32_3_ 1 Ц ; Ц - коэффициент Пу-

Еп

_ Я 0,726  у

ГУД„Р _ п

2

Ъ

К1  ащ

где Я - радиус пружины, м; Ъ - плечо действия силы сопротивления почвы, м; ^ - коэффициент, учитывающий снижение силы удара за счет использования упругой стойки.

ассона, для стали Ц = 0,29; Е - модуль Юнга, для стали Е = 200 ГПа.

Считая, что радиусы полушаровых ударников равны г _ г2 _ г , а также учитывая коэффициент соотношения масс соударяемых

тел 8 _ — преобразуем формулу (6) к следующему виду:

а

щ

ащ _

- ж - У02 - 5 £  т2 8(о + 1)л/т

где т - масса культиваторной лапы с упругой стойкой, кг.

Значение скорости удара V можно определить из уравнения колебаний пружины с грузом массой т1:

Х = + Р>Х

где Хтхх - амплитуда колебаний пружины, м; с - собственная частота колебаний системы,

с

С

= пр ; С - жесткость пружины, Н/м.

Продифференцировав формулу (8), получим зависимость скорости колебаний от времени:

С0  8т

Жх

V = — = -хт Ж т

Скорость в момент удара будет иметь максимальное значение:

V, = Хт

Л

Спр

т,

Подставляя в исходную формулу для силы удара (3) выражения (5), (7) и (10), получим выражение для расчета среднего значения приведенной к носку лапы силы удара:

РСР =.

УДпр

0,311-П  Я  к  хтах

2

5

к-(о +1)-

к 5

0 + 1)77 _

Наиболее интенсивно процессы скалывания и крошения почвы будут протекать в случае, когда давление Р , создаваемое силой РСР , будет превышать величину критиче-

УДПР

ского давления Р№ для почвы:

РРуд КРкр .

Критическое давление является важнейшей характеристикой напряженно-деформированного состояния почвы [9]: 2

Р =_

ГКР 2 : Ж  V

где V - деформационный показатель почвы, м2/Н.

Давление, оказываемое режущей кромкой рабочего органа на почву, определим как:

Р¥уд

Р

УДп

- вкр

где I - общая длина режущей кромки, м; в - толщина режущей кромки, м.

Подставляя в формулу (12) выражения (11) и (13) и выполнив преобразования, получим выражение для рационального значения амплитуды колебаний пружины Храц:

2  I  в

кр кр

к

ж2-V 0,311-пЯ С

С -5

пр

(0 + 1)77.

.

Устойчивый режим колебательного движения возможен в случае совпадения собственной частоты колебаний системы с0 с частотой скалывания почвы с [10]:

с0 = с;

С V

= 2ж—^,

т.

где V - скорость движения почвообрабатывающего рабочего органа в почве, м/с; - длина участка скалывания, м;

1ск = кобр- & (а + P),

где коб - глубина обработки, м; а - угол крошения, град; р - угол трения, град.

Откуда получим выражение для расчета жесткости пружины:

( V

Спр = 4Ж т1

Гу V

V ^ск

= 4ж т

кобр -

где т - приведенная масса пружины, кг.

На основании формул

1 уддахчноа

Рис. 2. Зависимость амлитуды колебаний пружины от количества пар ударников

ат =

5

Х

рац

6

СР

Анализ кривой на рисунке 2 показал, что с увеличением числа пар ударников рациональное

значение амплитуды колебаний пружины храц

снижается и при п = 6 составляет 8 мм.

Экспериментальные исследования,

выполненные в почвенном канале лаборатории Академии биоресурсов и природопользования, подтвердили эффективность использования культиваторных лап на виброударной подвеске. На рисунке 3 показаны графики зависимости тягового усилия культиваторной лапы на виброударной подвеске в зависимости

от глубины при различном количестве пар ударников п.

Наибольшее тяговое сопротивление имеет рабочий орган на упругой подвеске без ударников. С увеличением количества пар ударников наблюдается снижение энергоемкости обработки на 7.. .16%, при улучшении качественных показателей, находящихся в пределах погрешности опыта, и удовлетворяющих агротехническим требованиям. При этом наибольшее падение энергоемкости наблюдается при п = 6. Дальнейшее увеличение п нецелесообразно, поскольку разница между вариантами п = 6 и п = 8 не превышает 3%.

Рис. 3. Зависимость тягового сопротивления от глубины обработки при различном количестве пар ударников

Выводы:

1. Рациональное значение жесткости виброударной пружины С и амплитуды колебаний храц будет зависеть от режимов обработки почвы (рабочей скорости у , глубины обработки Ъ ), физико-механических свойств почвы

(деформационного показателя почвы V , углов трения р), а также конструктивных параметров рабочего органа и определяться по зависимостям (17) и (16).

2. С увеличением числа пар ударников рациональное значение амплитуды колебаний пружины храц снижается и при п равным 6

составляет 8 мм. Полученные результаты согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Список литературы

1. Бабицкий Л.Ф., Тарасенко В.И., Куклин В.А. Исследование факторов, влияющих на энергоемкость и надежность технологического процесса обработки почвы // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2009. № 20. С. 75-77.

2. Бабицкий Л.Ф., Куклин В.А. Анализ и тенденции развития орудий для экологического земледелия // Научные труды Южного филиала Национального университета биоресурсов и природопользования Украины "Крымский агротехно-логический университет". Серия: Технические науки. 2013. № 156. С. 19-25.

3. Балко В.В., Куклин В.А., Котелевич К.П. Теоретическое обоснование параметров виброударного воздействия культиваторных лап на почву // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2009. № 18. С. 69-70.

4. Бабицкий Л.Ф., Куклин В.А. Теоретическое обоснование параметров подпружиненной культиваторной лапы // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2014. № 43. С. 83-85.

5. Бабицкий Л.Ф., Кувшинов А.А., Москале-вич В.Ю. Исследование рабочих органов культиватора с виброимпульсным возбудителем колебаний // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2012. № 35. С. 81-83.

6. Рабочий орган культиватора: пат. 2605337 Рос. Федерация. №2015125471/13; заявл. 26.06.2015; опубл. 20.12.2016. Бюл. №35. 4 с.

7. Полищук Д.Ф., Девятериков С.А. Прикладные теории удара. Удар в пружинных механизмах. М.: Институт компьютерных исследований, 2006. 124 с.

8. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: ACT: Астрель, 2006. 991 с.

9. Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В., Моска-левич В.Ю. Основы научных исследований в агро-инженерии. Симферополь, 2015. 270 с.

10. Куклин В.А. Обоснование параметров рыхлителя для поверхностной обработки почвы: дис. ... канд. техн. наук. Симферополь: Южный филиал НУБиП Украины "Крымский агротехноло-гический университет", 2011. 163 с.

Substantiations for the optimal modes of cultivator paws on vibro-impact suspension Babitsky L.F., DSc in engineering, professor, Head of department, Sobolevsky I.V., PhD in engineering, Associate Professor, Kuklin V.A., PhD in engineering, Associate Professor

Academy of Life and Environmental Sciences, «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Simferopol, Russia

The most energy-consuming operation in agricultural production is the cultivation of the soil, which consumes up to 40% of the total energy expenditure. The use of various vibro-impact elements in the construction of working organs allows for more intensive crumbling of the soil and a lower energy intensity of the process due to variable soil resistance in accordance with the phases of its deformation and destruction. The object of our study is the developed design of a cultivator paw on a vibro-shock suspension. The subject of research is the relationship between the design parameters and operating modes of the proposed device with qualitative and energy performance indicators. A feature of the developed cultivator working body is the presence of a C-shaped elastic strut, the upper part of which is made in the form of a cylindrical spring with hemispherical strikers between the turns. The vibration of the column arising during the operation of this design will ensure periodic co-stressing of the hemispherical strikers located between the coils of the spring, and will contribute to the activation of the process of crumbling of the soil and self-cleaning of the paw. When justifying the design parameters and operating modes, methods of theoretical and agricultural mechanics, impact theory were applied. Theoretical relationships connecting the stiffness of a vibro-impact spring, the amplitude of oscillations with soil treatment regimes, its physico-mechanical properties, and also the design parameters of the working member are obtained. With an increase in the number of pairs of impactors n, the rational value of the amplitude of the oscillations of the spring decreases, and at n = 6 it is 8 mm. Experimental studies have shown that with an increase in the number of pairs of impactors n, the energy intensity of processing decreases by 7...16%, with the improvement of qualitative indicators within the experimental error and satisfying the agrotechnical requirements. At the same time, the greatest drop in energy intensity is observed at n = 6. A further increase in n is impractical, since the difference between the variants n = 6 and n = 8 does not exceed 3%.

Key words: soil treatment, active actuator, vibration, impact, exposure to vibro-impact, hemispherical drums, spring, traction resistance, amplitude of oscillations

References

1. Babitskiy L.F., Tarasenko V.I., Kuklin V.A. Issledovanie faktorov, vliyayushchikh na energoemkost' i nadezhnost' tekhnologicheskogo protsessa obrabotki pochvy. [Investigation of factors affecting the energy intensity and reliability of the technological process of soil cultivation]. Uchenye zapiski Krymskogo inzhenerno-pedagogicheskogo universiteta. 2009. no. 20. pp. 75-77.

2. Babitskiy L.F., Kuklin V.A. Analiz i tendentsii razvitiya orudiy dlya ekologicheskogo zemledeliya. [Analysis and trends in the development of tools for ecological farming]. Nauchnye trudy Yuzhnogo filiala Natsional'nogo universiteta bioresursov i prirodopol'zovaniya Ukrainy "Krymskiy agrotekhnologicheskiy universitet". Seriya: Tekhnicheskie nauki. 2013. no. 156. pp. 19-25.

3. Balko V.V., Kuklin V.A., Kotelevich K.P. Teore-ticheskoe obosnovanie parametrov vibroudarnogo vozde-ystviya kul'tivatornykh lap na pochvu. [Theoretical substantiation of the parameters of the vibro-impact of cultivator paws on the soil]. Uchenye zapiski Krymskogo inzhenerno-pedagogicheskogo universiteta. 2009. no. 18. pp. 69-70.

4. Babitskiy L.F., Kuklin V.A. Teoreticheskoe obosnovanie parametrov podpruzhinennoy kul'tivatornoy lapy. [Theoretical justification of the spring-loaded cultivator paw parameters]. Uchenye zapiski Krymskogo inzhenerno-pedagogicheskogo universiteta. 2014. no. 43. pp. 83-85.

5. Babitskiy L.F., Kuvshinov A.A., Moskalevich V.Yu. Issledovanie rabochikh organov kul'tivatora s vibroi-mpul'snym vozbuditelem kolebaniy. [Study of the working organs of a cultivator with a vibratory impulse exciter of oscillations]. Uchenye zapiski Krymskogo inzhenerno-pedagogicheskogo universiteta. 2012. no. 35. pp. 81-83.

6. Rabochiy organ kul'tivatora. [The working body of the cultivator]. Patent RF, no. 2605337, 2016.

7. Polishchuk D.F., Devyaterikov S.A. Prikladnye teorii udara. Udar v pruzhinnykh mekhanizmakh. [Applied impact theory. Blow in the spring mechanisms]. Moscow: Institut komp'yuternykh issledovaniy, 2006. 124 p.

8. Vygodskiy M.Ya. Spravochnik po vysshey matematike. [Reference book on higher mathematics]. Moscow: ACT Astrel', 2006. 991 p.

9. Babitskiy L.F., Sobolevskiy I.V., Moskalevich V.Yu. Osnovy nauchnykh issledovaniy v agroinzhenerii. [Fundamentals of scientific research in agroengineering]. Simferopol', 2015. 270 p.

10. Kuklin V.A. Obosnovanie parametrov rykhlitelya dlya poverkhnostnoy obrabotki pochvy: dis. ... kand. tekhn. nauk. [Justification of the parameters of the ripper for surface tillage: PhD Thesis]. Simferopol': Yuzhnyy filial NUBiP Ukrainy "Krymskiy agrotekhnologicheskiy universitet", 2011. 163 p.