Исследование напряжённо-деформированного состояния трубчатой стойки культиватора

4. Коновалов В. В. Аналитические аспекты гравитационного смешивания барабанных устройств / В.В. Коновалов, Н.В. Дмитриев, В.П. Терюшков [и др.] // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 2. C. 40-46.

5. Хольшев Н.В. Совершенствование технологического процесса приготовления сухих рассыпных кормосмесей шне-колопастным смесителем: дис. ... канд. техн. наук. Тамбов: Тамбовский государственный технический университет, 2015. 209 с.

6. Chupshev, A. Optimization in work modeling of a mixer / A. Chupshev, V. Konovalov, M. Fomina // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2018. № 1084-012010.

7. Борисова М.В., Новиков В.В., Титов А.Ю. Рациональное деформирование лопастей смесителя и его влияние на динамику процесса // Инновационные достижения науки и техники АПК: сб. науч. трудов. Кинель, 2018. C. 376-379.

8. Фомина М.В. Моделирование мощности вертикального лопастного смесителя на основе статистических выражений / М.В. Фомина, В.В. Коновалов, А.В. Чупшев [и др.] // Инновационная техника и технология. 2016. № 3 (8). С. 50-56.

9. Новиков В.В., Борисова М.В. Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемы зерновой смеси // Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сб. науч. трудов. Пенза, 2017. C. 82—88.

10. Пат. 179164 Российская Федерация. Смеситель зерновой смеси / В.В. Новиков, М.В. Борисова, А.С. Грецов, Д.Н. Котов, В.В. Коновалов. № 2017136899; заявл. 19.10.2017; опубл. 03.05.2018. Бюл. № 13.

11. Коновалов В.В. Моделирование качества смешивания сыпучих материалов барабанным смесителем / В.В. Коновалов, Н.В. Димитриев, А.А. Курочкин [и др.] // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013. Т. 1. № 9 (13). С. 77-84.

12. Коновалов В.В. Аналитическое обоснование длительности цикла работы смесителя периодического действия / В.В. Коновалов, М.В. Фомина, В.П. Терюшков [и др.] // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 3. С. 10-15.

13. Коновалов В.В., Чупшев А.В., Фомина М.В. Моделирование изменения качества смеси лопастного смесителя на основе технологических параметров // Инновационная техника и технология. 2016. № 3 (8). С. 57-66.

Исследование напряжённо-деформированного состояния трубчатой стойки культиватора

С.П. Пирогов, д.т.н, профессор, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья, ФГБОУ ВО ТИУ; Д.А. Черенцов, к.т.н., ФГБОУ ВО ТИУ; С.Н. Кокошин, к.т.н, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

При возделывании сельскохозяйственных культур предпосевная обработка почвы оказывает влияние на структуру и физико-механические свойства почвы [1, 2]. Применение упругих стоек культиваторов позволяет снизить тяговое сопротивление агрегата [3, 4], но приводит к неравномерности глубины обработки почвы. С целью стабилизации необходимой глубины обработки почв с различными физико-химическими свойствами было предложено использовать гибкие трубчатые элементы (манометрические трубчатые пружины) в качестве упругих стоек культиваторов [5, 6].

Конструкции рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин должны обеспечивать оптимальные агротехнические требования при минимизации энергетических затрат. Добиться этого позволяет создание машин с управляемыми рабочими органами, способными точно соблюдать агротехнические требования и своевременно реагировать на изменяющиеся внешние условия. Так, в конструкции культиватора [7] в качестве рабочего органа предложено использовать гибкий трубчатый элемент (рис. 1).

Конструкция рабочего органа культиватора представляет собой рыхлительную лапу 1, закреплённую на С-образной стойке 2. Стойка выполнена из гибкого трубчатого элемента со штуцером 3, который позволяет изменять давление в полости внутри элемента. Кронштейн 5 предназначен для крепления стойки 2 к раме 4. Изменение давления во внутренней полости стойки заставляет попереч-

ные сечения деформироваться, и свободный конец с рыхлительной лапой 1 совершает перемещение. В процессе обработки почвы на рабочий орган культиватора оказывают влияние силы сопротивления почвы переменного характера, что вызывает колебания стойки. Подача рабочей жидкости через штуцер 3 в полость стойки 2 под переменным давлением приводит к колебательным движениям рыхлительной лапы с определённой амплитудой и частотой, которые зависят от параметров подаваемого давления. Обзор конструкций и области применения упругих трубчатых элементов (манометрических пружин), параметры затухающих колебаний трубок в вязкой среде исследованы, приводятся в ранее опубликованных работах [8—11].

Материал и методы исследования. Применение гибкого трубчатого элемента — манометрической трубчатой пружины (МТП) в культиваторе позволяет снизить тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин за счёт эффекта вибрации при взаимодействии с почвой, а также повысить

Рис. 1 - Рабочий орган культиватора

качественные показатели процесса обработки почвы за счёт регулировки жёсткости стойки. При взаимодействии культиватора с обрабатываемой почвой необходимо ограничивать скорость перемещения культиватора, так как превышение предельного значения скорости перемещения влечёт к нарушению целостности МТП и, как следствие, к поломке всей конструкции. Расчёт напряжений и деформаций МТП производится с помощью метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ANSYS.

Для обеспечения безаварийной работы культиватора необходимо решить следующие задачи:

1. Построение сеточной модели трубчатого элемента;

2. Определение горизонтальной составляющей тягового сопротивления — Rnx воздействия почвы на сошник, при которой наблюдается потеря устойчивости;

3. Оценка влияния геометрических характеристик МТП на Rnx.

Стойка, представленная в виде МТП, выполнена из стали 36НХТЮ и имеет следующие геометрические характеристики: центральный угол — 180 град., радиус кривизны — 500 мм, большая полуось поперечного сечения — 25 мм, малая полуось поперечного сечения — 12,5 мм, толщина стенки — 2,5 мм. Точность дальнейших расчётов будет напрямую зависеть от качества сеточной модели рассматриваемой конструкции. Жёсткая заделка (место крепления) и наконечник (рабочий орган) построены по умолчанию с помощью метода Sweep, а для построения сеточной модели необходимо определить наилучший метод построения сетки (Tetrahedrons или Sweep (рис. 2) и минимальный размер элементов, обеспечивающих корректность решения без потери точности.

AN5YS

R19.1

Tetrahedrons

ANSYS

R19.1

. Sweep

Рис. 2 - Построение сеточной модели культиватора

Результаты исследования. Оценим, как будет изменяться перемещение свободного конца трубки при воздействии горизонтальной силы (1000 Н) на свободный конец при изменении метода и размера элементов расчётной модели. Расчёты производились в toolbox — StaticStructural, результаты представлены на рисунке 3.

Рис. 3 - Результаты оценки перемещений свободного конца

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при уменьшении размера элементов сеточной модели трубки значения перемещения свободного конца стремятся к некоторому пределу. Более «гладкое» решение получается при использовании метода Sweep, минимальный размер элемента, при котором наблюдается отклонение результатов расчёта менее 0,5%, составляет 5 мм.

Определение максимального значения Rnx, при котором наблюдается потеря устойчивости рассматриваемой конструкции, производится в toolbox — Eigenvalue Buckling. Результаты расчёта показали, что потеря устойчивости произойдёт при значении горизонтальной составляющей силы Rnx — 12,8 кН. Максимальные напряжения как и нарушение целостности МТП наблюдаются в основании жёсткой заделки (в месте крепления МТП к раме).

Для увеличения допустимого значения силы Rnx необходимо исследовать влияние и определить наиболее оптимальные геометрические характеристики МТП. Исследуем влияние формы сечения трубчатого элемента на допустимую горизонтальную составляющую Rn. Многообразие конструктивных решений рассмотрено в ранее опубликованной работе [8]. Плоскоовальное сечение обеспечивает достаточную чувствительность, большую, чем сечение в виде восьмёрки, и в то же время способствует технологичности конструкции. Результаты оценки влияния размеров плоскоовального сечения показали, что более сплюснутая форма выдержит большую нагрузку (рис. 4а).

Пружина эллиптического сечения при одинаковых габаритах обладает большей чувствительностью по сравнению с плоскоовальными и восьмёрко-образными. Результаты оценки влияния размеров эллиптического сечения также показали, что более сплюснутая форма тоже выдерживает большую нагрузку (рис. 4 б).

Пружины восьмёркообразного сечения обладают большой прочностью и жёсткостью к действию внешних сил, их применяют для измерения повышенных давлений. Результаты оценки влияния размеров восьмёркообразного сечения показали (рис. 4 в), что при прочих равных условиях такое сечение выдерживает большую нагрузку. Однако

МО

о

400

х 3&0

f 30, 0 5 не

I,»

£ш. 100

SjO

" i I

05 ^ £

а)

Отоонтм большой и налой осей е силы (кН) «^—Коэффициент увеличения знач. Силы

"I

и Е

б)

' Значение силы

¿6.00

X

с 4S-50 к

э

£ 4S.CO !

<«00

I

05 5

Коэффициент увеличения знач. Силы

1J0 а 2

I Jm io г Ш

Д ___'Т'__ N—T-N- ) Г

/

/ «СО

45.7?

О 60 % i

ОЛО >

I

0.20 х

I

0.00 X

в)

Мал ла ось в центре сечения. мм и Значение силы Rn 9 Коэффициент увеличения знач. силы Rn

мер полуосей сечения трубок увеличиваются от свободного конца пружины к закреплённому.

Исследуем влияние изменения толщины стенки вдоль МТП на Rnx. Результаты оценки (рис. 5) показали, что хоть наибольшие напряжения и возникают у основания МТП, увеличение толщины стенки около основания увеличит значение предельной силы лишь на 10%, в случае увеличения толщины стенки вдоль всей МТП увеличивает предельное значение Rn в 3 раза.

Рис. 4 - Оценка влияния формы поперечного сечения

следует отдать предпочтение плоскоовальной форме, как наиболее технологичной.

Для улучшения прочностных характеристик МТП предложен ряд конструкций пружин с переменным вдоль центральной оси сечением и толщиной стенки. С целью увеличения частоты собственных колебаний предложена манометрическая пружина с переменной, увеличивающейся от основания к её свободному концу толщиной стенки сечения.

Для повышения чувствительности, относительной жёсткости и прочности МТП, работающих в силовом режиме и в условиях вибрации, возможно использовать конструкцию МТП с переменным по длине сечением, плавно изменяющимся от эллиптического на свободном конце к восьмёр-кообразному на закреплённом.

С целью упрощения конструкции и расширения функциональных возможностей можно использовать конструкцию МТП, имеющую переменное по длине сечение, состоящую из нескольких соединённых между собой трубок, каждая из которых имеет постоянную толщину стенки и соотношение полуосей сечения, причём толщина стенки и раз-

Рис. 5 - Оценка влияния изменения толщины стенки вдоль МТП на Rn

Выводы. Изменение массы рыхлительной лапы практически не оказывает влияние на Rnx, поэтому в расчётах на потерю устойчивости массой рыхлительной лапы можно пренебречь. Уменьшение центрального угла МТП увеличивает значение горизонтальной составляющей Rnx, а уменьшение радиуса кривизны МТП увеличивает значение Rnx.

При моделировании культиваторной стойки в виде гибкого трубчатого элемента было выявлено, что наилучший метод построения сетки (Tetrahedrons или Sweep) и минимальный размер элементов, обеспечивающих корректность решения без потери точности, составляет 1 мм. Потеря устойчивости предлагаемой стойки культиватора произойдёт при значении горизонтальной силы 12800 Н. Оценка влияния геометрических характеристик МТП позволяет увеличить значение горизонтальной силы Rnx. Предлагаемое поперечное сечение сохраняет устойчивость под действием силы сопротивления почвы до 12800 Н, что в реальности доказывает возможность применения предлагаемой конструкции даже на тяжёлых почвах. Применение пульсирующего гидравлического давления в пределах прочности материала создаст вибрационное воздействие лапы на почву и будет способствовать снижению тягового сопротивления.

Литература

1. Ерёмин Д.И., Ерёмина Д.В., Фисунова Ж.А. Физические свойства выщелоченных чернозёмов Северного Зауралья в условиях длительного сельскохозяйственного использования // Аграрный вестник Урала. 2009. № 4 (58). С. 49-51.

2. Абрамов Н.В., Ерёмин Д.И. Формирование профиля чернозёмов выщелоченных Северного Зауралья в условиях длительной распашки // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 3. С. 7-9.

3. Кокошин С.Н. Физические основы процесса разрушения почвы // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2015. № 4 (31). С. 100-104.

4. Николаев Л.А., Союнов А.С. Применение вибрации в обработке почвы // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. 2017. № 1 (8). С. 36.

5. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Применение манометрических трубчатых пружин в сельскохозяйственных машинах // Агро-продовольственная политика России. 2017. № 9 (69). С. 82-88.

6. Кокошин С.Н. Культиваторные стойки с изменяемой жёсткостью // Сельский механизатор. 2012. № 5. С. 8.

7. Патент РФ № 116000 U1 на полезную модель, А01В 39/20, А01В 35/20. Рабочий орган культиватора / А. А. Маратка-нов, Н.И. Смолин, С.Н. Кокошин, Н.Н. Устинов. Заявл. 03.05.2011; опубл. 20.05.2012. Бюл. № 14.

8. Пирогов С.П. Манометрические трубчатые пружины. СПб.: Недра, 2009. 276 с.

9. Устинов Н.Н., Маратканов А.А. Экспериментальное определение характеристик активного рабочего органа культиватора со стойкой в виде гибкого трубчатого элемента // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2015. № 4 (126). С. 102-105.

10. Пирогов С.П., Черенцов Д.А. Теоретические основы проектирования вибростойких манометров // Измерительная техника. 2016. № 8. С. 38-41.

11. Константинов М.М. Почвообрабатывающие орудия с источником направленных колебаний / М.М. Константинов, С.Н. Дроздов, А.У. Туманов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 3 (53). С. 87-89.

Направления совершенствования воздушно-решётных зерноочистительных машин для сортирования семян

И.Е. Припоров, к.т.н., Н.М. Иванасов, соискатель, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ

К качеству семян масличных культур, например, подсолнечника, предъявляются высокие требования (посев [1], внесение минеральных удобрений [2] и т.д. и послеуборочная их обработка [3]). Послеуборочная обработка является завершающей операцией, которая позволяет выделить травмированные неполноценные семена, а содержание их в ворохе семян приводит к развитию микроорганизмов, что влечёт за собой ухудшение качества семян [4].

Авторами были проведены эксперименты по определению качества семян основной культуры после уборки комбайна. В результате проведённых экспериментальных исследований было установлено следующее содержание компонентов: целые семена, органическая примесь (фрагменты корзинок и стеблей), битые и обрушенные семена [5].

Для выделения этих примесей из вороха семян подсолнечника применяются различные типы серийных зерноочистительных машин, одни из которых являются воздушно-решётные, например, типа МВУ-1500 [6]. В большинстве случаев используют отечественные воздушно-решётные зерноочистительные машины, так как их цена по сравнению с импортной машины меньше [7].

Отечественной промышленностью выпускаются зерноочистительные машины, которые имеют воздушную систему. Недостатком большинства зерноочистительных машин является низкая эффективность сортирования, которая в производственных условиях составляет не более 30%. Причиной этому является некачественный воздушный поток в зоне разделения вороха семян вследствие применения центробежных вентиляторов [8]; неравномерность распределения семенного материала по глубине и ширине вертикальных пневматических каналов с увеличением удельных нагрузок.

Все перечисленные недостатки влияют на качество получаемых семян основной культуры.

При этом повысить эффективность процесса разделения вороха семян подсолнечника возможно путём увеличения скорости их ввода в вертикальный пневматический канал воздушно-решётной зерноочистительной машины [5, 9], что является актуальной задачей.

Вышеизложенное определило цель исследования — повышение процесса разделения вороха семян подсолнечника в воздушно-решётных зерноочистительных машинах за счёт изменения конструкции подающего устройства нижнего решётного стана.

Достижению поставленной цели исследования служило решение следующих задач:

1. Проанализировать устройства для подачи вороха семян подсолнечника в вертикальный пневматический канал зерноочистительной машины и выявить их недостатки;

2. Наметить пути по устранению выявленных недостатков в устройствах для подачи вороха семян.

Материал и методы исследования. Устройство для подачи зерновой смеси в пневмосепарирую-щий канал зерноочистительной машины содержит вертикальный пневмосепарирующий канал с поперечным окном для ввода сепарируемого материала и клапан.

Недостатком устройства является столкновение и перекрытие траекторий компонентов зерновой смеси, в вертикальном воздушном потоке приводящее к неэффективному процессу их разделения.

Зерноочистительная машина типа МВУ-1500 (рис. 1) содержит верхний решётный стан, у которого в нижней его части прикреплён лоток, изготовленный из металла. Лоток осуществляет отвод семян на нижний стан, установленный под углом 6°. На нижнем решётном стане прикреплено подающее устройство под углом 6°, которое направляет семена в вертикальный воздушный