Обоснование параметров и конструктивной схемы шарнирно-ударного почво-обрабатывающего катка

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 631.314

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

И КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ШАРНИРНО-УДАРНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО КАТКА

Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;

Куклин В. А., кандидат технических наук, доцент кафедры; Шевченко В. В., ассистент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»

В статье приведено описание конструктивной схемы и процесса работы шарнирно-ударного почвообрабатывающего катка. При разработке конструктивной схемы и обосновании рациональ-нъа параметров использовались методы классической механики и механики сплошной среды. В работе исследовались кинематика движения ударников и процесс ударного воздействия рабочих органов катка на почву. В результате теоретического исследования процесса работы шарнирно-ударного почвообрабатывающего катка составлено уравнение движение ударника и обосновано рациональное значение рабочей скорости. С учетом условия обеспечения перекрытия зон ударного воздействия катковых звеньев на почву обосновано количество ударников.

Ключевые слова: прикатывание почвы, шарнирно-ударный почвообрабатывающий каток, рабочая скорость, количество ударников, глубина колеи.

THE SUBSTANTIATION OF PARAMETERS AND THE CONSTRUCTIVE SCHEME OF THE HINGE-IMPACT

SOIL-PROCESSING WHEEL

Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;

Kuklin V. A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Shevchenko V. V., Assistant; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»

The article describes the constructive scheme and the process of operation of the hinge-impact tiller. When developing a constructive scheme and justifying rational parameters, the methods of classical mechanics and mechanics of a continuous medium were used. The kinematics of the movement of impactors and the impact process of the working bodies of the ice rink on the soil were investigated. As a result of the theoretical study of the operation of the hinge-impact tiller roller, the equation of motion of the impactor is compiled and the rational value of the working speed is justified. From the condition of ensuring the overlapping of impact zones of the roller links on the ground, the number of drummers is justified.

Key words: soil compacting, hinge-impact tiller, operating speed, number of drums, depth of track.

Введение. Развитие научно-технического прогресса в области механизации сельскохозяйственного производства неразрывно связано со снижением энергоемкости и повышением качества выполнения технологических операций.

Одной из важнейших операций поверхностной обработки почвы является прикатывание с целью разрушения почвенных глыб, разравнивания и уплотнения поверхности поля. В процессе прикатывания создается оптимальная плотность почвы, обеспечивающая благоприятный газо- и водообмен в плодородном слое.

Известны конструкции катков [1, 2], в которых на общей оси располагается несколько рабочих органов в виде колец с целью обеспечения лучшего копирования поверхности поля и повышения равномерности воздействия на почву по ширине захвата катка. Недостатком данных технических решений является низкий уровень воздействия на почву, не обеспечивающий достаточной степени дробления почвенных глыб, особенно при работе на тяжелых пересушенных почвах.

Качественная обработка поверхностного слоя почвы с целью разрушения глыб и разравнивания поверхности поля требует разработки новых конструкций рабочих органов, сочетающих в себе вибрационное и ударное воздействие, с целью интенсификации процесса и снижения энергоемкости. Разработана конструкция шарнирно-ударного почвообрабатывающего катка [3], реализующего вышеперечисленные способы воздействия на почву.

Материал и методы исследований. Объектом исследований является процесс работы шарнирно-ударного почвообрабатывающего катка. При разработке конструктивной схемы и обосновании рациональных параметров использовались методы классической механики и механики сплошной среды. В работе исследовалась кинематика движения ударников и процесс ударного воздействия рабочих органов катка на почву.

Результаты и обсуждение. Предложена конструктивная схема шарнирно-ударного почвообрабатывающего катка (рис. 1), состоящего из шарнирно-со-единенных катковых рабочих органов с ударниками. Использование крестообразных шарниров для крепления соседних звеньев обеспечивает их повышенную степень подвижности и возможность проворачивания относительно друг друга на угол до 15о. В результате улучшается копирование поверхности поля, повышается качество обработки и снижается энергоемкость работы на участках со сложным агрофоном. Катковый рабочий орган представляет собой пустотелый диск с центрально расположенным кольцом внутри. Соединение диска и кольца осуществлено при помощи спиц, одновременно являющихся направляющими для цилиндрических ударников.

Рабочий процесс шарнирно-ударного катка протекает следующим образом. При качении по поверхности поля катковые звенья 2 производят крошение почвенных глыб и уплотняют поверхность поля. Свободно перемещающиеся под действием силы тяжести и силы инерции по спицам 6 ударники 7 производят периодическое ударное воздействие на наковальни 8 и на нижнюю часть кольца 4, взаимодействующего с почвой, что вызывает интенсив-

ное крошение и вибрационное уплотнение почвенного слоя под катковым рабочим органом. Вибрация отдельных катковых звеньев через шарнирное крепление передается на соседние рабочие органы.

5 И

и 13

а б

Рисунок. 1. Шарнирно-ударный почвообрабатывающий каток: а - общий вид катка, б - катковое звено. 1 - подшипниковый узел, 2 - катковое звено, 3 - крестообразный шарнир, 4 - пустотелый диск, 5 - кольцо, 6 - спица, 7 - цилиндрический ударник, 8 - полушаровая наковальня

При качении рабочего органа перемещение ударника происходит под действием сил, указанных на расчетной схеме (рис. 2).

раб

Рисунок. 2. Расчетная схема к обоснованию параметров ударников

Составим уравнение движения ударника, спроецировав действующие

с!2.х

силы на ось х:

Рпи.ж-^^-Р.пр-

К =П1-

" Л2

(1) 45

где Ртяж = mg - сила тяжести ударника, Н; f - коэффициент трения стали о сталь; m - масса ударника, кг;

F,nP =f-N = ¡{Ртяж eos a- Fk) - сила трения, Н; FK = 2mVomHa> - сила Кориолиса, Н;

Vonm - относительная скорость движения ударника, м/с;

т - угловая скорость вращения каткового звена, с-1; F= m m2 x - центробежная сила инерции, Н;

- ускорение движения ударника, м/с2.

После преобразований уравнения (1), учитывая, что при равномерном вращении каткового звена угол а будет изменяться по зависимости а = mt, получим:

—^Г = g • sin («О - /

, ч ™ dx

g-cos(?)~2-(»--

dt

Принимая во внимание, что коэффициент трения стали о сталь составляет малую величину f = 0,15 , а также малое значение угловой скорости т , вторым и третьим членом дифференциального уравнения (2) пренебрегаем. В результате получим: 2

—r = gsm(M). dt'

При невысокой угловой скорости и, как следствие, малых значениях угла а = тt можно принять следующее допущение: sin(юt) ~ тt , тогда

dt'

- = gcot.

Дважды проинтегрировав выражение (4), получим уравнение, описывающее перемещение цилиндрического ударника по спице:

V„

В момент удара координата х Я. с учетом того, что I = — и г» = . из формулы (5) получим:

При угле а = 90о ударное воздействие будет направлено вертикально вниз, что является наиболее эффективным.

Преобразовав выражение (6), получим рациональное значение рабочей скорости катка V в зависимости от радиуса R при а = 90о :

Графическая зависимость рационального значения рабочей скорости от радиуса показана на рис. 3. При использовании катков радиусом от 0,3 до 0,8 м рекомендуемая рабочая скорость возрастает от 5 до 8,1 км/ч.

я й о. к

3 ь."

, 4-

—<

0,3

0,4

Радиус

0,5

0,6

0,7

0,8

1Я

| каткового звена

Рисунок 3. Зависимость рационального значения рабочей скорости от радиуса каткового звена

Частота ударного воздействия п будет зависеть от количества ударников N и рабочей скорости катка V:

уд

2лК

Количество ударников найдем из условия обеспечения перекрытия зон ударного воздействия катковых звеньев на почву в соответствии с расчетной схемой на рис. 4.

Рисунок 4. Расчетная схема к обоснованию количества ударников

Зона периодического ударного воздействия при движении катка звисит от глубины образуемой колеи и определяется углом охвата ф. В соответствии с расчетной схемой запишем:

К-к

cos — =  2 R

-1--

R

откуда

<р = 2arccos 1—

R

Требуемое количество ударников будет равно:

Глубину колеи h найдем по известной формуле [4]:

где Ь - ширина каткового звена, м;

q - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3;

Б - диаметр каткового звена, м.

Теоретические зависимости для расчета рабочей ширины захвата отдельного каткового звена и шага расстановки катковых звеньев получены в ранее опубликованной работе [5].

Выводы. В результате теоретического исследования процесса работы шарнирно-ударного почвообрабатывающего катка составлено уравнение движение ударника и получена зависимость угла соударения от рабочей скорости и радиуса каткового звена. Обосновано рациональное значение рабочей скорости. С учетом условия обеспечения перекрытия зон ударного воздействия катковых звеньев на почву обосновано количество ударников.

Список использованных источников:

1. А.с. №430811 СССР, МПК: А01В 29/04. Каток / М. Ахмеджанов, Т. Аваздурдиев. - №1850025/30-15; заявл. 27.11.72; опубл. 05.06.74. Бюл. № 21. - 2 с.

2. А.с. №1113007 СССР, кл. А01В 29/04. Каток для обработки почвы / Л. Ф. Бабицкий. - №3577945/30-15; заявл. 28.02.83; опубл. 15.09.84. Бюл. № 34. - 2 с.

3. Пат. 173271 Российская Федерация, МПК А01В 29/04. Каток для

References:

1. A.c. №430811 USSR, IPC A01B 29/04. Roller / M. Akhmedzhanov, T. Avazdurdiev. - №1850025/30-15; appl. 27.11.72; publ. 05.06.74, Bul. № 21. - 2 p.

2. A.c. №1113007 USSR, IPC A01B 29/04. Soil treatment roller / L. F. Babitsky. - № 3577945/30-15; appl. 28.02.83; publ. 15.09.84, Bul. № 34. - 2 p.

3. Pat. 173271 Russian Federation, IPC A01B 29/04. Soil treatment roller

обработки почвы / Бабицкий Л. Ф., Куклин В. А. - № 2017106495/13; за-явл. 27.02.2017, опубл. 21.08.2017. Бюл. № 24. - 4 с.

4. Кленин Н. И. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины: [Учеб. для с.-х. вузов по спец. «Механизация сел. хоз-ва»] / Н. И. Кленин, В. А. Са-кун. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1994. - 750 с.

5. Бабицкий Л. Ф., Куклин В. А. Обоснование рациональных параметров катка с повышенной степенью подвижности рабочих органов // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. - 2012. -№ 36. С. 86-89.

Сведения об авторах:

Бабицкий Леонид Федорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@ rambler.ru, 295492, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Куклин Владимир Алексеевич -кандидат технических наук, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

/ Babitsky L. F., Kuklin V. A. -№2015125471 / 13, appl. 06.26.2015, publ. 20.12.2016, Bull. №35. - 4 p.

4. Klenin N. I. Agricultural and meliorative machines: [Proc. for agricultural crops. universities on spec. «Mechanization of the rural house-holds»] / N. I. Klenin, V. A. Sakun. - 3rd ed., revised and additional. - M.: Kolos, 1994. - 750 p.

5. Babitsky L. F., Kuklin V. A. Substantiation of the rational parameters of the rink with an increased degree of mobility of the working organs // Scholarship notes Crimean Engineering and Pedagogical University. 2012. №36. P. 86-89.

Information about the authors:

Babitsky Leonid Fedorovich -Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of mechanization and technical services in agribusiness of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.

Kuklin Vladimir Alexeyevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of mechanization and technical services in agribusiness of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: kaf-meh@rambler. ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.

Шевченко Владимир Викторович -ассистент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@ rambler.ru, 295492, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Shevchenko Vladimir Viktorovich -Assistant of the Department of mechanization and technical services in agribusiness of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernad-sky Crimean Federal Uni-versity», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Univer-sity» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.