CC BY
30
УДК 631.316.022
С.Н. Кокошин, В.И. Ташланов
АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ЖЕСТКОСТИ S-ОБРАЗНОЙ
СТОЙКИ КУЛЬТИВАТОРА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ», ТЮМЕНЬ, РОССИЯ
S.N. Kokoshin, V.I. Tashlanov AUTOMATIC BRAKE ADJUST OF S-SHAPED CULTIVATOR STILTS FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «STATE AGRARIAN UNIVERSITY OF NORTH ZAURALYE», TYUMEN, RUSSIA
>
4 it
Сергей Николаевич Кокошин
Sergey Nikolaevich Kokoshin кандидат технических наук, доцент kokoshinsn@gausz.ru
Владислав Игоревич Ташланов
Vladislav Igorevich Tashlanov tashlanov_vlad@mail.ru
Аннотация. В данной работе рассмотрена возможность стабилизации глубины обработки почвы культиваторными лапами на упругих стойках за счет применения автоматического регулятора жесткости, выполненного на основе гибкого трубчатого элемента. Универсальность предложенного приспособления заключается в том, что за счет изменения гидравлического давления, подаваемого в его внутреннюю полость, изменяется сила действия элемента на стойку. Для определения значения давления жидкости необходимо выявить зависимости перемещения культиваторной лапы от силы сопротивления почвы, силы действия гибкого трубчатого элемента и геометрическими параметрами стойки. Анализ проведенных работ по данной тематике показывает, что за основу расчета устойчивости стойки культиватора берется формула Эйлера. Но в механике она используется в основном для расчета устойчивости сжатых стержней при продольном изгибе. Под действием сопротивления почвы упругая стойка испытывает деформацию поперечного изгиба, а значит, формула Эйлера не в полной мере отображает реальную картину деформации. Нами предложено проводить анализ перемещений культиваторной лапы с использованием интеграла Мора, который учитывает действие всех внешних сил. На основании предварительного анализа сделан вывод, что при определенных значениях гидравлического давления можно обеспечить равномерную глубину обработки, компенсируя действие сил сопротивления почвы.
Ключевые слова: культиватор, жесткость, равномерность глубины, регулятор, устойчивость.
Введение. Современные тенденции развития отрасли растениеводства в России направлены на ресурсо- и энергосбережение [1]. Несмотря на новые технологии с минимальной и нулевой обработками почвы, на территории Тюменской области они не нашли широкого применения в силу климатических условий и структур почв Региона [2, 3]. Также отказ от физического разрушения почвенного пласта в процессе обработки почвы способствует увеличению засоренности полей [4]. Поэтому использование лаповых культиваторов при предпосевной обработке почвы актуально не только для борьбы с сорняками, но и для создания оптимальной структуры почвы для роста и развития семян, а также формирования ровного семенного ложа. С целью энергосбережения для обработки почвы применяются культиваторы с упругими стойками, которые в процессе работы за счет колебаний, возникающих от силы сопротивления почвы, оказывают вибрационное воздействие на разрушаемый пласт почвы [5, 6]. Но у данных стоек есть один существенный недостаток: при увеличении силы сопротивления почвы амплитуда колебаний лапы культиватора может пре-
Abstract. The possibility of stabilizing the depth of tillage by cultivating paws on elastic stilts through the use of an automatic stiffness regulator made on the basis of a flexible tubular element is considered in this paper.
The versatility of the proposed device lies in the fact that due to a change in the hydraulic pressure supplied to its internal cavity, the force of the element on the stilts changes. To determine the value of fluid pressure it is necessary to identify the dependence of the movement of the cultivator paw on the strength of soil resistance, the force of action of the flexible tubular element and the geometrical parameters of the stilts. An analysis of the work carried out on this subject shows that the Euler formula is taken as the basis for calculating the stability of the cultivator stilts. But in mechanics it is used mainly to calculate the stability of compressed rods in buckling. Under the action of soil resistance, the elastic column undergoes a deformation of the transverse bending, which means that the Euler formula does not fully reflect the real picture of the deformation. We have proposed to analyze the movements of the cultivator paw using the Mohr integral, which takes into the account the action of all external forces. Based on a preliminary analysis it was concluded that it is possible to provide a uniform depth of processing compensating for the effect of the soil resistance forces at certain values of hydraulic pressure.
Keywords: cultivator; rigidity; uniformity of depth; regulator; sustainability
высить допускаемые значения вертикальных перемещений рабочих органов почвообрабатывающих машин, установленных агротехническими требованиями.
Стабилизировать глубину обработки почвы культиваторными лапами на упругих стойках, сохраняя эффект вибрации, можно за счет применения автоматического регулятора жесткости, выполненного на основе гибкого трубчатого элемента.
Методика. На рисунке 1 показан результат взаимодействия почвы с культиваторной лапой на упругой стойке. В случае, когда жесткости стойки недостаточно, она деформируется, переходя в положение 2. В данном положении рабочего органа уменьшается глубина обработки почвы и за счет поворота лапы культиватора относительно точки крепления увеличивается тяговое сопротивление агрегата. При уменьшении силы сопротивления почвы лапа возвращается в положение 1, создавая при этом волнообразное посевное ложе, что отрицательно сказывается на глубине заделки семян при посеве.
Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки 75
Результаты. В силу того что свойства почвы непостоянны, возникает необходимость регулировки жесткости стойки в процессе работы агрегата. В этом случае в конструкциях стоек необходимо применять гибкие трубчатые элементы (ГТЭ), изменяющие свою жесткость в зависимости от гидравлического давления, подаваемого во внутреннюю полость [10-12]. Для упрощения конструкции мы предлагаем использовать ГТЭ в качестве регулятора жесткости, не нарушая конструкцию стойки (рисунок 3).
Рисунок 2 - Упругие стойки с регуляторами жесткости
Изменение жесткости стойки целесообразно применять в зависимости от физико-механических свойств почвы. Для сохранения вибрационного эффекта регуляторы жесткости устанавливают вблизи места крепления, так как в этой части возникает максимальный изгибающий момент.
Рисунок 3 - Упругая стойка с автоматическим регулятором жесткости
Предлагаемая конструкция состоит из лапы 1, закрепленной на Э-образной стойке 2, которая фиксируется на раме культиватора 3 с помощью кронштейна 4 и болта с проушиной 5. Для регулирования жесткости стойки установлен гибкий трубчатый элемент 6, жестко закрепленный на раме культиватора. На другом конце элемента жестко закреплен кронштейн 7, соединяющий элемент 6 подвижно относительно стойки 2. В ГТЭ со стороны верхнего крепления предусмотрен штуцер 8, соединяющий внутреннюю полость элемента с гидравлической системой трактора, и датчик 9, измеряющий расстояние до Э-образной стойки. На основании показателей датчика расстояния блок управления регулирует давление жидкости, подаваемой в полость ГТЭ. С увеличением давления регулятор создает силу Р, компенсирующую действие силы сопротивления почвы. Также в качестве входного параметра для управления давлением можно использовать характеристику обрабатываемой почвы при помощи системы слежения [13].
При использовании автоматического регулятора жесткости необходимо выявить зависимость силы V от геометрических параметров стойки и силы сопротивления почвы Р. Использование формулы 1 не отражает реальной картины деформации упругой стойки, так как из состояния равновесия данную систему выводит горизонтальная составляющая силы р вызывающая деформацию поперечного изгиба стойки. В выражении (1) в основе лежит деформация продольного изгиба, и поэтому результаты, полученные в результате расчетов, могут не соответствовать действительности. Поэтому для определения перемещений лапы культиватора мы предлагаем использовать интеграл Мора [14]:
Д-К/п™™^, (2)
и
где: МР(г) - уравнение изгибающего момента от внешних сил на участке;
1 - Исходное положение; 2 - деформируемое положение Рисунок 1 - Результат действия силы сопротивления почвы на лапу культиватора
В научных трудах и конструкторских решениях [7-9] авторы предлагают регулировать жесткость упругой стойки за счет изменения ее рабочей длины (рисунок 2). В основе математического анализа предлагаемой методики обеспечения равномерности глубины движения культиваторных лап лежит формула Эйлера для определения критической силы, которая нарушает устойчивое равновесие стержня: ж2Е1
Ркр = —,Н (1)
где: Е - модуль упругости материала, МПа;
I- момент инерции поперечного сечения, мм4; /-длина стержня, мм.
M^z) - уравнение изгибающего момента от единичной силы на участке, приложенной в исследуемой точке по направлению, в котором определяется перемещение.
В выражении (2) MF(z) есть функция, зависящая от внешней силы сопротивления почвы Р и силы действия ГТЭ - F. На участке от крепления стойки к раме до ГТЭ изгибающие моменты имеют противоположные знаки, т. е. сила сопротивления почвы вызывает сжатие внутренних волокон стойки, а сила ГТЭ - их растяжение. Соответственно при определенном давлении жидкости в полости ГТЭ мы можем добиться условия:
A=f(P,F)^0. (3)
Анализ математического выражения (2) доказывает, что снижение момента силы MF(z) позволит уменьшить перемещение культиваторной лапы при обработке почвы. Применение автоматического регулятора жесткости, выполненного по принципу работы ГТЭ, позволит компенсировать действие переменной силы сопротивления почвы с различными физико-механическими свойствами, тем самым соблюдая необходимую глубину обработки почвы в пределах, установленных агротехническими требованиями.
Выводы. Для снижения тягового сопротивления при культивации почвы целесообразно использовать упругие стойки, которые способствуют вибрационному воздействию на пласт почвы. Для соблюдения глубины обработки на почвах с различными физико-механическими свойствами предложен регулятор жесткости в виде ГТЭ, который в автоматическом режиме имеет возможность изменять силу, компенсирующую действие силы сопротивления почвы, тем самым стабилизируя глубину обработки почвы культиваторными лапами.
Список литературы
1 Абрамов Н.В., Бакшеев Л.Г., Килин П.М. Инновационные и ресурсосберегающие технологии - основное направление развития АПК Тюменской области // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. 2004. № 6. С. 35-39.
2 Абрамов Н.В., Еремин Д.И. Формирование профиля черноземов выщелочных Северного Зауралья в условиях длительной распашки // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 3. С. 7-9.
3 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.
4. Рзаева В.В. Засоренность яровой пшеницы при различных способах обработки почвы в Северном Зауралье // Земледелие. 2013 № 8. С. 25-27.
5. Николаев Л.А., Союнов A.C. Применение вибрации в обработке почвы // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. 2017. № 1 (8). С. 36.
6. Кокошин С.Н. Физические основы процесса разрушения почвы // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2015. № 4 (31). С. 100-104.
7. Сливицкий Е.В., Анутов Р.В., Тищенко Д.Е.. Ра-дин С.Ю. Культиватор. Патент РФ на изобретение № 2464757 от 05.05.2011 г.
8. Дмитриев С.Ю., Дмитриев Ю.П. Автоматический регулятор жёсткости упругой стойки культиватора // Труды ГОСНИТИ. 2012. Т. 110. № 1. С. 85-87.
9. Фёдоров С.Е., Чаткин М.Н., Жалнин A.A., Жал-нин H.A. Зависимость качества поверхностной обработки почвы от жёсткости стойки //XLV Огарёвские чтения: материалы научной конференции. Саранск: Изд-во Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва, 2017. С. 31-34.
10. Кокошин С.Н. Культиваторные стойки с изменяе-
мой жёсткостью // Сельский механизатор. 2012. № 5. С.8.
11. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Применение гибких трубчатых элементов в сельском хозяйстве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 37 (71). С. 150-151.
12. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Применение манометрических пружин в сельскохозяйственных машинах//Агропро-довольственная политика России. 2017. № 9 (69). С 28-31.
13. Кокошин С.Н., Ташланов В.И. Система слежения и регулирования глубины хода рабочих органов культиваторов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 178-181.
14. Гулякин Д.В., Гуляев Д.А. Перемещения в балках и рамах // Наука и инновации в XXI веке: актуальные вопросы, открытия и достижения: сборник статей VII международной научно-практической конференции. Изд-во Наука и просвещение, 2017. С. 23-25.
List of references
1 Abramov N.V., Baksheev L.G., Kilin P.M. Innovative and resource-saving technologies - the main direction of the agro-industrial complex development of the Tyumen region // Economy of agricultural and processing enterprises. 2004. №6. Pp. 35-39.
2 Abramov N.V., Eremin D.I. Profile formation of leached chernozem of North Zauralye in conditions of prolonged plowing //Achievements of science and technology of agriculture. 2012. № 3. Pp. 7-9.
3 Eremin D.I., Eremina D.V., Fisunova J.A. Physical properties of leached chernozem of north Zauralye in conditions of prolonged agricultural use // Agrarian Vestnik of the Urals. 2009. №4(58). Pp. 49-51.
4 Rzaeva V.V. Spring wheat content of impurities with various methods of tillage in the north Zauralye // Farming. 2013 № 8. Pp. 25-27.
5 Nikolaev L.A., Soyunov A.S. The use of vibration in tillage // Electronic scientific and methodical journal of Omsk State Agrarian University. 2017. № 1 (8). P. 36.
6 Kokoshin S.N. Physical basis of the process of soil destruction // Vestnik of State Agrarian University of north Zauralye. 2015. № 4 (31). Pp. 100-104.
7 Slivitsky E.V., Anutov R.V., Tishchenko D.E., Radin S.Yu. Cultivator. R.F. patent for the invention number 2464757 from 05.05.2011.
8 Dmitriev S.Yu., Dmitriev Yu.P Automatic stiffness regulator for an elastic cultivator stilts // Proceedings of SSITI. 2012. V. 110. № 1. Pp. 85-87.
9 FedorovS.E., Chatkin M.N., Zhalnin A.A., Zhalnin N.A. The dependence of the quality of surface tillage on the rigidity of the stilts//XLV Ogarevskiy reading: proceedings of the scientific conference. Saransk: Publishing House of National Research Mordovia State Universitynamed after N.P Ogarev, 2017. Pp. 31-34.
10 Kokoshin S.N. Cultivator stilts with variable stiffness // Rural mechanizer. 2012. № 5. P. 8.
11 Pirogov S.P, Chuba A.Yu. The use of flexible tubular elements in agriculture//News of Orenburg State Agrarian University. 2018. № 37(71). Pp. 150-151.
12 Pirogov S.P, Chuba A.Yu. The use of manometric springs in agricultural machines // Agrofood policy of Russia. 2017. № 9 (69). Pp. 28-31.
13 Kokoshin S.N., Tashlanov V.I. The system of tracking and regulating the depth of the course of the cultivator working bodies // News of Orenburg State Agrarian University. 2018. №4(72). Pp. 178-181.
14 Gulyakin D.V., Gulyaev D.A. Movements in beams and frames // Science and Innovations in the XXI Century: Actual Issues, Discoveries and Achievements: Collection of Articles of the VII International Scientific Practical Conference. Publishing House Science and Education, 2017. Pp. 23-25.
