ДИНАМИКА РОТАЦИОННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ИГОЛЬЧАТОГО ТИПА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.313.02

ДИНАМИКА РОТАЦИОННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ИГОЛЬЧАТОГО ТИПА

ШВАРЦ А.А.,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВО Курская ГСХА, e-mail aashwarz.@mail.ru, т. 8 919-178-6669.

ШВАРЦ С.А.,

кандидат технических наук, директор ООО «Меридиан», sshwarz@inbox.ru. УВАРОВА А.Г.,

кандидат технических наук, заведующий кафедрой, ФГБОУ ВО Курская ГСХА, e-mail: a.g.uvarova@yandex.ru.

САРИГО Н.В.,

кандидат педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВО Курская ГСХА, e-mail: nadezhda.sarigo@yandex.ru.

ЛУКИН С. Г.,

аспирант, ФГБОУ ВО Курская ГСХА, е-mail: gch.2013@mail.ru.

Реферат. В статье рассмотрены особенности применения дисковых рабочих органов при обработке почвы. Выпускаемое промышленностью разнообразие дисковых рабочих органов, таких как лущильников и борон, часто не удовлетворяют агротребованиям поверхностной обработки. Все большее распространение находят высокопроизводительные ротационные орудия. В работе отмечены характеристики бесприводного ротационного орудия, основанного на принципе подтормаживания. Конструкция, являющаяся предметом изучения, включает две параллельные горизонтальные батареи игольчатых дисков, соединенных цепной передачей с коэффициентом подтормаживания 2,5-3,0. При выводе искомых уравнений рассматривается конструктивная схема при одинаковых радиусах тормоза и батареи рабочих органов. Полученные рабочие уравнения описывают траекторию движения конца рабочих элементов в механической системе с подтормаживанием в вариантах режима тормоза без скольжения, со скольжением или с буксованием. Они могут быть использованы при анализе кинематики воздействия рабочих элементов тормоза и рыхлящего органа на почву, построении номограмм и технологического расчета параметров почвенных неровностей. Исследована динамика и конструктивно-режимные параметры рыхлителя. Реальным условиям работы орудия соответствует вариант, когда тормоз движется с некоторым скольжением, а рабочие органы второй батареи - с буксованием. Результаты исследований найдут применение в разработке и усовершенствовании игольчатых рабочих органов бесприводных почвообрабатывающих орудий.

Ключевые слова: почвообработка, ротационные рабочие органы, игольчатые диски, динамика.

DYNAMICS OF ROTARY TILLAGE WORKING BODIES OF NEEDLE TYPE

SHVARTZ A.A.,

Full Doctor of Agricultural Sciences, Professor of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kursk State Agricultural Academy", e-mail: aashwarz@mail.ru. t 8 919-178-6669.

UVAROVA A.G.,

Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kursk State Agricultural Academy", e-mail: a.g.uvarova@yandex.ru.

SARIGO N.V.,

Candidate of Technical Sciences, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kursk State Agricultural Academy", e-mail: nadezhda.sarigo@yandex.ru.

LUKIN S.G.,

Graduate student of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kursk State Agricultural Academy", Russia, Kursk, e-mail: gch.2013@mail.ru.

Essay. The article discusses the features of the use of disk working bodies in tillage. The variety of disk working bodies produced by the industry, such as huskers and harrows, often do not meet the agricultural requirements of surface treatment. High-performance rotary guns are becoming increasingly common. The paper notes the characteristics of a non-water rotary gun based on the principle of braking. The design, which is the subject of study, includes two parallel horizontal batteries of needle disks connected by a chain drive with a braking coefficient of 2.5-3.0. When deriving the desired equations, a constructive scheme is considered for the same radii of the brake and the battery of the working bodies. The obtained working equations describe the trajectory of movement of the end of the working elements in a mechanical system with braking in the variants of the brake mode without sliding, with sliding or with slipping. They can be used in the analysis of the kinematics of the impact of the working elements of the brake and the loosening organ on the soil, the construction of nomograms and technological calculation of the parameters of soil irregularities. The dynamics and design-mode parameters of the ripper are investigated. The real working conditions of the gun correspond to the option when the brake moves with some sliding, and the working bodies of the second battery - with slipping. The results of the research will be used in the development and improvement of needle-like working bodies of non-water tillage tools.

Keywords: tillage, rotary working bodies, needle discs, dynamics.

Введение. Механическая обработка почвы - самый древний и распространенный вид работы в сельском хозяйстве. Как по значению, так и по трудоемкости она всегда занимала в земледелии первое место [1]. На проведение ее затрачивается колоссальное количество энергии. Использование большого количества энергетических ресурсов оправдывается, если обработка почвы проводится в соответствии с требованиями культур, с учетом почвенных и климатических особенностей.

В настоящее время в условиях резкой интенсификации земледелия, широкого применения удобрений, химических средств защиты посевов, обработка почвы продолжает оставаться фундаментальной основой земледелия, хотя не только орудия, но и многие приемы работы и последовательность их выполнения стали другими [2, 3].

Среди многих применяемых технологий значительное место занимает поверхностная обработка почвы и механизация данного процесса с участием дисковых орудий [4,5,6].

Материал и методика исследования. Рассмотрим подробнее характер работы бесприводного ротационного орудия с игольчатыми рабочими органами. Конструктивная схема почвообрабатывающих орудий, основанных на принципе подтормаживания

[6,7,8,9,10] включает два установленных на общей раме рабочих органа в виде батарей игольчатых дисков I и II, соединенных цепной передачей III (рисунок 1). В этой механической системе батарея I играет роль тормоза основной батареи рабочих органов II. При движении системы со скоростью Уот действия силы тяги, приложенной к центру батарей I и II и сил сцепления тормоза I и батареи II с почвой, они совершают одновременно вращательное и переносное поступательное движения [11].

При этом батарея II за счет цепной передачи III получает, в сравнении с тормозом I, замедленное вращение, а ее рабочие элементы производят рыхление почвы на глубину к.

Траектория, описываемая в пространстве концов зубьев батареи II определяет форму и размеры лунок в почве, характер деформации почвы, взаимодействие рабочих элементов с ней и другие характеристики процесса.

При выводе искомых уравнений исходим из троякого возможного способа движения тормоза I, т.е. решаем задачу в общем виде. Имеем (рисунок 1) V сопМ\1 = — > 1 рассматриваем конструктивную схему при одинаковых радиусах Я тормоза и батареи рабочих органов.

дя i —1

I - тормоз, II - батарея рабочих органов, III - цепная передача

Рисунок 1 - Принципиальная схема механической системы с подтормаживанием

а) Тормоз I движется по оси ОХ без скольжения

Очевидно, что поступательная скорость V машины, угловая скорость и тормоза и его радиус связаны соотношением V = Я, а угловая скорость а2 батареи рабочих органов II в г раз будет меньше угловой скорости тормоза, т.е. со2 — —. На основании теории В.П. г

Горячкина [12] качение батареи II радиуса Я можно заменить качением без скольжения по оси о'х' некоторой окружности радиуса Я+ AR, тогда для батареи II скорость движения ее центра через угловую скорость выразится

V = —(я+да)=— (я+да).

i

—

Следовательно

—я = —1 (я+да) i

(1)

ео =

(4)

Я" i ()

Для определения траектории точки А конца рабочего элемента рабочего органа II рассмотрим его исходное С] и произвольное положения С2 его центра после поворота на угол Ф (рисунок 2).

Точка А займет положение А] (х, у). Нахождение закона изменения координат х и у и определит искомую траекторию.

Очевидно, что с учетом (3) СгС2 = Я" ■< = Я ■ i ■ р; ЛгВ = Я sin р; C2B = Я cos р. Поэтому координаты точки А] будут: x = C¡C - ЛВ = Яр ■ i - Я sinp = Я(р^ i — sinp) (5) y = CxO — C2B = Я — Я cos р = Я(1 — cos р)

Уравнение (5) определяет траекторию движения концов рабочих элементов ротационного органа II при движении тормоза I без скольжения, оно опубликовано в работах [13,14,15].

б) Тормоз I движется по ОХ с некоторым скольжением

В этом случае на основании теории В.П. Горячкина о качении колес и катков [4] качение тормоза I радиуса Я по оси ОХ со скольжением может быть представлено, как качение без скольжения мнимой окружности радиуса Я по о"х" (рисунок 3). Поскольку коэффициент скольжения е] задан (он может быть найден из эксперимента), это позволяет определить радиус Я], т.к. по формуле В.П. Горячкина приращение А]Я радиуса Я может быть найдено из выражения: \ Я

Я +\Я

(6)

Поэтому

я = я +д, я = я+

Я

Откуда приращение AR радиуса Я будет:

ДЯ - Я{1 -1) (2)

Радиус окружности, катящейся по оси о'х' без скольжения будет равен:

Я'- Я + ДЯ - Я ■ I (3)

Кинематически заданный цепной связью III коэффициент скольжения рабочего органа II можно вычислить по формуле В.П. Горячкина [12]:

1 — Sx 1 —

По выражению (3), радиус Я** мнимой окружности рабочего органа II, катящейся по оси о'х' без скольжения, будет равен:

Я ■ I

Я" = Я ■ i =

1 — е

(7)

ное и конечное положение рабочего органа II

по оси ох со скольжением

Полученное выражение (7) позволяет, в свою очередь, ответить на вопрос о величине скольжения рабочего органа II при заданном скольжении ех тормоза I и получить рабочую формулу для его вычисления,

т.к. Д, Я = Я"- Я =

Я ■ I

1-е

- Я, то скольжение е

рабочего органа II с учетом выражения (4) будет:

е =

Д 2 Я Я +Д2 Я

I -1 /

+ — = е + 1 °

(8)

е

е

Практическая применимость формулы (8) состоит в том, что она позволяет вычислить величину скольжения рабочего органа II, если задано (или известно из эксперимента) фактическое скольжение тормоза I. Кинетически заданное скольжение ео в формулу (8) входит

составной частью.

Вывод уравнения траектории точки А аналогичен изложенному выше (рисунок 4), но в этом случае, с учетом выражения (7):

СС = R**p =

R • i • р

1 -£

; A1B = R sinp;C2 B = R cosp

Следовательно, в системе уох будет иметь:

fx = - AB = R •' Р - R sin р = —R— рр• i -(l -£)sinp] (9)

•j 1 - £ 1 - £

[y = Cfi - C2B = R(1 - cos р)

где ф - угол поворота рабочего органа II в радианах;

81 - коэффициент скольжения тормоза I. в) Тормоз I движется по ох с некоторым буксованием п

Рассмотрим далее третий из возможных способов движения рассматриваемой механической системы, когда тормоз I движется по ох с некоторым буксованием п (рисунок 5).

При этом следует иметь ввиду, что в этой механической системе, не имеющей активного привода, к ее рабочим органам, коэффициент буксования не может быть большим, так что основным исходным условием задачи является условие 0<п«1, а фактическое значение параметра п определяется экспериментальным путем.

Результаты исследования. На основании теории В.П. Горячкина [12], качение тормоза I радиуса Я по оси ох с буксованием можно заменить качением без скольжения жестко связанной с тормозом окружности радиуса Я]. по оси о"х" .

Я ■ц

Очевидно, что \ R =

1 + ц

тогда

R =

R 1 + ц

(10)

Рисунок 4 - Схема к выводу уравнения траектория точки А рабочего органа при качении тормоза со скольжением С1, С2 - начальное и конечное положение рабочего органа II после поворота на угол

Рисунок 5 - Кинематическая модель движения механической системы при качении тормоза I по оси ох с буксованием

Рисунок 6 - Схема к выводу уравнения траектории точки А рабочего органа при качении тормоза с буксованием. С1 и С2 - начальное и конечное положение рабочего органа II после поворота на угол ф

С учетом выражения (3) радиус Я *** жестко связанный с ротационным органом I окружности, катящейся по оси ох (рисунок 6) без скольжения, определится из выражения:

Я

Я — = Я . I =

1 + 7

(11)

Необходимо учесть, что выражение (11) пока не позволяет судить о виде движения рабочего органа II по ох (со скольжением, без

скольжения или с буксованием). Для выяснения вида движения приравняем Я*** = Я, т.е.

Я • * к

-= Я, откуда:

1 + 7

7 = 1 + 7 (12)

Следовательно, при движении тормоза I по оси ох с буксованием рабочий орган II будет двигаться по ох без скольжения только в случае соблюдения соотношения (12). При

i У1 + j качение ротационного органа II по ох происходит со скольжением.

По экспериментальным данным Седнева Н.А., коэффициент буксования тормоза I

0 <r = 0,13, поэтому для соблюдения соотношения (12) передаточное отношение цепной передачи должно быть i = 1.13. В реализованных конструкциях ротационных рыхлителей работающих с использованием принципа подтормаживания, рекомендуемое передаточное отношение цепной передачи

1 = 2...4,5 У i = 1,13, в связи с чем, при анализе кинематики движения рыхлящего рабочего органа II, когда тормоз I работает с некоторым буксованием 0<j-0,2, следует заведомо полагать, что рабочий орган П движется со скольжением.

Вывод параметрического уравнения траектории точки А рабочего органа II при движении тормоза I с буксованием аналогичен по смыслу изложенным выше примерам, но в этом случае (рисунок 6).

R • i • р

С£2 =-; AB = R sinp; C2B = R cosp.

1 + j

Следовательно, в системе координат УОХ параметрическое уравнение точки А будет:

R

х = СХС2 -ДВ = --[р-i-(1 + r)sinp]

1 + Г (13)

y = C10 - C2 В = R(1- cos p),

где ф - угол поворота рабочего органа в радианах;

П - коэффициент буксования тормоза.

Таким образом, получены рабочие уравнения (5), (9), (13) в параметрической форме описывающие траекторию движения конца рабочих элементов ротационного органа в механической системе с подтормаживанием при работе тормоза без скольжения, со скольжением или с буксованием. Эти уравнения могут быть использованы при анализе кинематики воздействия рабочих элементов тормоза и рыхлящего органа на почву.

Во-вторых, использование некоторыми авторами [8,13,15] уравнения (5) для целей кинематического анализа, построения номограмм и технологического расчета параметров образованных в почве лунок представляется необоснованным, т.к. оно является частным случаем уравнений (9) и (13), вытекающим из

условия е1=ц = 0. В реальных условиях работы почвообрабатывающих рыхлителей, построенных по принципу подтормаживания рабочего органа (рисунок 1) тормоз I фактически работает с некоторым буксованием, равным 0,04-0,136 (данные осциллографирования Н.А . Седнева).

В реальных условиях работы движение тормоза без скольжения фактически невозможно из-за нежесткого сцепления его с почвой, ее сминаемости и деформации от действия сил подтормаживания рабочего органа, передаваемых к тормозу цепной передачей.

Без учета буксования тормоза определение, например, абсциссы X по уравнению (5) приводит к погрешности 5,2-21,6%. Подобная погрешность будет иметь место и при вычислении других параметров, при определении формы и размеров лунок, выкапываемых в почве игольчатыми элементами рабочего органа и т.д.

Наконец, важно подчеркнуть, что если из эксперимента известно отношение окружной скорости Уо к поступательной скорости Уп центра подторможенного ротационного органа II (рисунок 1), то траектория концов рабочих элементов может быть выражена через кинематический параметр одним уравнением [8]:

х

У

= R (р-Л- sinp) Л

= R(l - cos р),

(14)

v„

где Л = — - кинематический параметр.

Уп

Вывод. Для рассмотренных выше возможных случаев движения тормоза I соотношения между X и коэффициентами скольжения подторможенного органа или буксования тормоза будут:

а) Тормоз I движется по ох без скольжения (буксования) (рисунок 1).

Тогда взаимосвязь между коэффициентом скольжения ео, кинематически заданным

цепной связью рассматриваемой механической системы и параметром Х], выражается так:

i-1

£о =

= 1 -Л

(15)

<

б) Тормоз I движется по ох со скольже- В данном случае, при условии соблюдения нием ех (рисунок 3). i > 1 + 7, будем иметь:

В этом случае с учетом (8) скольжение ра- i -1 - 7 _ ^ д

бочего органа I и кинематический параметр i 3 ()

связаны соотношением: В общем случае соотношение между кине-

i—1+_Sl-i_; ¡л ¿л матическим параметром X и коэффициентом

6 — — 1X3 (16) г

i скольжения s или буксования п данного ра-

в) Тормоз I движется по ох с буксовани- бочего органа будет s — 1 -Хи 77 —X —1. ем ц.

Список использованных источников

1. Кувайцев В.Н. Машины и орудия для обработки почвы. - М.: Бибком, 2013. - 626 с.

2. Черкасов Г.Н. Перспективы использования нулевых и поверхностных обработок в России // Актуальные агросистемы. - 2015. - №7-8 (31). - С. 8-13.

3. Руденко В.Н. Механическая обработка почвы. Учебное пособие. - М.: КноРус, 2016. - 632 с.

4. Машины для поверхностной обработки почвы под посев сельскохозяйственных культур / Г.С. Юнусов, A.B. Майоров, И.И. Попов, Ю.А. Кропотов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - Киров, 2012. - С. 50-55.

5. Диско-зубовая коническая борона / И.К. Мазитов, М.М. Маликов, Х.С. Гайнанов и др. // Земледелие. - 1981. - № 3. - С.58-60.

6. Кувайцев В.Н. Машины и орудия для обработки почвы. - М.: Бибком, 2013. - 626 с.

7. Котельников В.Я., Орлов В.М. Технологический расчет параметров лунки при работе роторных машин с пассивным приводом. Сельскохозяйственные машины. Сб. научных трудов МИИСП. - Т. II. - Вып. I. - Часть 2. - М., 1974. - С. 18-24.

7. Диско-зубовая коническая борона / И.К. Мазитов, М.М. Маликов, Х.С. Гайнанов и др. // Земледелие. - 1981. - № 3. - С. 58-60.

8. Терещенко И.О., Зыков В.А. Эффективность игольчатой бороны-мотыги // Механизация и электрификация социал. сельск. хоз-ва. - 1975. - № 2. - С. 9-11.

9. Седнев Н.А. Энергоемкость процесса обработки почвы игольчатыми дисками при движении с затормаживанием // Тракторы и сельхозмашины. - 1981. - № 3. - С. 16-17.

10. Горячкин В.П. Собрание сочинений. - Т.1. - Изд-во: М.: «Колос», 1963. - С.263.

11. Зиязетдинов Р.Ф. Исследование процессов работы агрегатов с игольчатыми дисками на обработке сельхозкультур: дис ...канд. техн. наук. - Челябинск, 1985.

12. Седнев Н.А. Кинематика игольчатого диска при движении с затормаживанием // Тракторы и сельхозмашины. - 1978. - № 10. - С.16-19.

Spisok ispoFzovanny'x istochnikov

1. Kuvajcev V.N. Mashiny' i orudiya dlya obrabotki pochvy'. - M.: Bibkom, 2013. - 626 c.

2. Cherkasov G.N. Perspektivy' ispol'zovaniya nulevy'x i poverxnostny'x obrabotok v Rossii // Aktual'ny'e agrosistemy'. - 2015. - №7-8 (31). - S. 8-13.

3. Rudenko V.N. Mexanicheskaya obrabotka pochvy'. Uchebnoe posobie. - M.: KnoRus, 2016. -632 c.

4. Mashiny' dlya poverxnostnoj obrabotki pochvy' pod posev sel'skoxozyajstvenny'x kul'tur / G.S.Yunusov, A.B. Majorov, I.I. Popov, Yu.A. Kropotov // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. -Kirov, 2012. - S. 50-55.

5. Disko-zubovaya konicheskaya borona / I.K. Mazitov, M.M. Malikov, X.S. Gajnanov i dr. // Zemledelie. - 1981. - № 3. - S.58-60.

6. Kuvajcev V.N. Mashiny' i orudiya dlya obrabotki pochvy'. - M.: Bibkom, 2013. - 626 s.

7. Kotel'nikov V.Ya., Orlov V.M. Texnologicheskij raschet parametrov lunki pri rabote rotorny'x mashin s passiv-ny'm privodom. SeFskoxozyajstvenny'e mashiny'. Sb. nauchny'x trudov MIISP. - T. II. - Vy'p. I. - Chast' 2. - M., 1974. - S. 18-24.

7. Disko-zubovaya konicheskaya borona / I.K. Mazitov, M.M. Malikov, X.S. Gajnanov i dr. // Zemledelie. - 1981. - № 3. - S. 58-60.

8. Tereshhenko I.O., Zy'kov V.A. E'ffektivnost' igol'chatoj borony'-moty'gi // Mexanizaciya i e'lektrifikaciya social. sel'sk. xoz-va. - 1975. - № 2. - S. 9-11.

9. Sednev N.A. E'nergoemkost' processa obrabotki pochvy' igol'chaty'mi diskami pri dvizhenii s zatormazhivaniem // Traktory' i sel'xozmashiny'. - 1981. - № 3. - S. 16-17.

10. Goryachkin V.P. Sobranie sochinenij. - T.1. - Izd-vo: «Ko-los». - M., 1963. - S.263.

11. Ziyazetdinov R.F. Issledovanie processov raboty' agregatov s igol'chaty'mi diskami na obrabotke sel'xozkul'tur: dis ...kand. texn. nauk. - Chelyabinsk, 1985.

12. Sednev N.A. Kinematika igol'chatogo diska pri dvizhenii s zatormazhivaniem // Traktory' i sel'xozmashiny'. - 1978. - № 10. - S.16-19.