CC BY
0УДК 629.114.2.073
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСКОВО-ЛАПОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА САДОВОГО КУЛЬТИВАТОРА
Горобей В. П., кандидат технических наук, старший научный сотрудник; Сильвестров А. В., кандидат технических наук,
Игнатенко А. И., инженер; ФГБУН «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия „Ма-гарач" РАН»;
Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;
Москалевич В. Ю., кандидат технических наук, доцент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
В почвенном канале проведены лабораторные технологические исследования экспериментальных рабочих органов для сплошной обработки почвы культиваторами в муждурьядьях ви-ноградниковых насаждений. Энергетические показатели экспериментальных культиваторных лап различной ширины захватаполучены на различных скоростях при рыхлении уплотненной почвы. Для исключения грабельного эффекта, снижения энергетических затрат и повышения надежности культивации предложено использование зубчатого диска в качестве разрезающего ножа, установленного на двухпружинной подвеске перед культиваторными лапами.
INVESTIGATION OF DYNAMIC AND ENERGY CHARACTERISTICS OF DISK-LAPOVER WORKING BODY OF CULTIVATOR OF GARDEN
Gorobey V. P., Candidate of Technical Sciences, Senior researcher; Silvestrov A. V., Candidate of Technical Sciences;
Ignatenko A. I., Engineer; FSBSI «All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking „Magarach" of RAS»;
Babitskiy L. F., Doctor of Technical Science, Professor;
Moskalevich V. Y., Candidate of Technical Science, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
Channel in the soil laboratory of experimental technological research working bodies for continuous tillage cultivators in murdereda vineyard plantings. Energy indicators of experimental cultivator paws of different solution were obtained at different speeds during loosening of compacted soil. To eliminate the rake effect, reduce energy costs and improve the reliability of cultivation, it is proposed to use a toothed disk as a cutting knife mounted on a doublespring suspension in front of the cultivator legs. To assess the contribution of the energy effect in the application of the proposed design of soil-cultivating working bodies from vibration, arising
102
Для оценки вклада энергетического эффекта при применении предлагаемой конструкции почвообрабатывающих рабочих органов от вибрационных колебаний, возникающих при их посткупальном движении по обрабатываемой почве применялась специальная установка, позволяющая оперативно определять нагрузочную динамику движения рабочего органа при взаимодействии с почвой - тяговую и параметры вибрации. По результатам лабораторных исследований установлены снижение тягового сопротивления рабочих органов культиваторного типа и принципиальная целесообразность установки подпружиненных дисковых зубчатых ножей перед первым рядом рабочих органов культиватора садового.
Ключевые слова: садовый культиватор, рыхление почвы, рабочий орган, зубчатый диск, виброподвеска, почвенный канал, экспериментальные исследования, энергетические характеристики.
from their post-purchase motion on the treated soil, a special installation was used allowing to quickly determine the load dynamics of the movement of the working body in interaction with the soil - traction and vibration parameters. The results of laboratory studies, a reduction of traction resistance of the working bodies of the cultivator type and principled expediency .installation of spring-loaded disc gear knives in front of the first row of the working bodies of the cultivator garden.
Key words: garden cultivator, tilling the soil, working body, a toothed disc, vibrapods, soil channel, experimental studies, energy performance.
Введение. Агротехнический прием поверхностной обработки без оборачивания почвы - культивация в междурядьях виноградных кустов - является эффективным средством борьбы с сорной растительностью, способствует улучшению воздушного и водного режимов почвы, активизации микробиологических процессов. За вегетационный период ее проводят 4-6 раз. При отсутствии весеннего чизелевания первая культивация проводится на глубину 12-15 см, при засушливой погоде и сильной засоренности - на 5-8 см, при нормальных условиях увлажнения и сильном развитии сорняков - на 10-12 см [1]. Технологические процессы поверхностной обработки почвы, для механизации которых применяются культиваторы, могут носить различный характер, что требует применения на культиваторах разных типов рабочих органов. Применение рабочих органов той или иной формы и размеров зависит от вида и сорта обрабатываемой культуры, стадии ее развития и состояния почвы. Этим объясняется применение в производстве разных типов рабочих органов культиваторов [2]. Для сплошной обработки почвы предназначены культиваторы с лапами на жестких и пружинных стойках, штанговые пароочистители, культиваторы-рыхлители, легкие фрезы [3]. Наиболее часто для междурядной куль-
тивации виноградников применяют рабочие органы - культиваторные лапы. Расстояния между рядами лап выбирают как из условий учета величины зоны распространения деформации почвы по ходу лапы, так и из условий предотвращения забивания культиваторов растительными остатками. Нагрузки, которые воспринимают лапы культиватора первого ряда, приблизительно в 2 раза больше нагрузок, которые воспринимают лапы второго ряда, так как лапы первого ряда работают в почве, которая не деформирована [4]. Анализ конструкций почвообрабатывающих машин и агрегатов позволяет сделать заключение, что среди актуальных направлений их совершенствования - создание семейств унифицированных технических средств с набором сменных рабочих органов для совмещения различных технологических операций, максимально приспособленных к различным почвенно-климатическим условиям, а также применение активных и полуактивных рабочих органов, закрепленных на пружинных и вибрирующих подвесках [5]. Известно, что при работе пахотного агрегата основной причиной значительных ненужных энергетических затрат, увеличения тягового сопротивления и затруднения управления трактором является увод рабочих корпусов в сторону невспаханного поля [6]. Для вспашки залежалых почв с удельным сопротивлением до 0,13 Мпа нужно закреплять дисковые ножи перед всеми корпусами. Без дисковых ножей предплужник открывает пласты по линии наименьшего сопротивления, поэтому они имеют неодинаковую ширину, способствующую забиванию плуга дерниной. Во время работы с ножами плуг движется более устойчиво и меньше перекашивается. Сопротивление плуга снижается на 8-12 %, так как разрезать дернину легче, чем разрывать [6]. Прослеживается тенденция уплотненной пространственной компоновки орудий путем применения секций разнотипных рабочих органов, а также комбинированных рабочих органов с совмещением рабочих зон, что приводит к синергетическому эффекту в их работе [7]. Применение в качестве разрезающих ножей зубчатых дисков на виброподвеске снижает тяговое сопротивление почвообрабатывающих орудий и повышает устойчивость их работы [8]. Применение новых технических решений пружинного крепления рабочих органов придает процессу почвообработки четко выраженный динамический характер, который недостаточно изучен как энергетический фактор [9, 10]. Использование динамических явлений при взаимодействии рабочих органов с почвой в междурядьях виноградных кустов для повышения эффективности машин, снижения тягового сопротивления, оптимизации работы требует изучения динамических моделей с учетом вышеприведенных особенностей, обоснования параметров и технологических режимов и является актуальной задачей.
Материал и методы исследований. Для модернизации машин для обработки почвы в междурядьях виноградников на примере садового культиватора, общий вид которого приведен на рис. 1а, были изготовлены культиваторные рабочие органы с шириной лап 50, 150 и 300 мм, общий вид которых представлен на рис. 1, б. Перед культиваторным рабочим органом в качестве раз-
104
резающего ножа установливался зубчатый дисковый нож диаметром 350 мм с высотой зуба 30 мм, общее количество зубьев - 24 на двухпружинной подвеске. Количество зубьев обосновано энергетической составляющей резания с учетом бионического подобия [11].
Для получения устойчивого динамического фактора использовалась установленная сверху на шарнирно прикрепленном рычаге к корпусу дискового ножа штанге нажимная пружина и пружина автоколебаний, установленная между рычагом и корпусом на уровне передней части ножа.
Исследования экспериментальных комбинированных рабочих органов проводили в почвенном канале Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского» совместно с кафедрой механизации и технического сервиса в АПК по ранее разработанной методике [12].
а б
Рисунок 1. Общий вид садового культиватора (а) и экспериментальных культи-ваторных рабочих органов (б) с шириной лап, мм: 1 - 50; 2 - 120; 3 - 300
Для исследований вибрационно-тягових параметров почвообрабатывающих рабочих органов была разработана специальная измерительная установка (блок-схема показана на рис. 2, общий вид на рис. 3), которая дает возможность одновременно проводить определение относительных значений вибрации и тягового сопротивления путем выведения сменных, в зависимости от агротех-нологических условий, величин исследуемых параметров в виде графических зависимостей на монитор компьютера [12].
Рисунок 2. Блок-схема установки для измерения тяговых и вибрационных характеристик почвообрабатывающих рабочих органов
105
Датчик вибрации 2 (рис. 3) подключен через усилитель 3 и аналого-цифровой преобразователь 4 на COM-port ПК 5. Усиленный сигнал оцифровывается и поступает в потоке данных на ПК. Показатели датчика вибрации выводятся на монитор синхронно с тяговым сопротивлением по разработанной методике, согласно которой определение тягового сопротивления рабочего органа осуществляется измерительным устройством на базе: двух тензодатчиков 1, контроллера (микроконтроллер Mega64 с ЖК-индикатором 16*2 и клавиатурою, блока питания 9,6 В, а также микросхемы MAX232ESE), переходника USB->RS232 HXSP-2108D. Как регистрирующее устройство ПК с системой Windows и установленным драйвером HXSP-2108D, используются программы Super Term V2.21 и Microsoft Office Excel.
Рисунок 3. Общий вид установки для исследований в почвенном канале тягового сопротивления, амплитуды и частоты колебаний рабочих органов: 1 - тензодат-чик тягового сопротивления; 2 - датчик вибрации; 3 - усилитель; 4 - АЦП; 5 - ПК
Определяя относительную смену величин вибрации, можно, используя направленные характеристики съема вибрации (рис. 3), оценивать механические свойства и рабочего органа. Таким образом, при исследованиях оценивания энергетических характеристик комбинированных почвообрабатывающих приспособлений есть возможность оперативно изучать нагрузочную динамику движения рабочего органа при взаимодействии его с почвой - тяговую и вибрационную.
Результаты и обсуждение. Исследование экспериментальных рабочих органов проводилось в почвенном канале с твердостью почвы 140...150 Н/см2 и влажностью 16 % на скоростях движения от 1,0 м/с до 2,5 м/с. Определение энергетических характеристик культиваторных лап, дискового зубчатого ножа и комбинированного дисково-лапового рабочего органа на двухпружинной (нажимной и автоколебаний) подвеске проводили на вышеописанной установке (рис. 3), блок схема которой представлена на рис. 2.
Для достижения оптимального по энергетическим соображениям эффекта с учетом глубины хода дискового ножа h = 0,12 м количество зубцов на нем должно быть не менее N = 24; высота зубца ^ = 0,021 м при деформационном показателе почвы V = 210-7 м2/Н, толщине зубца ^ = 0,003 м и силе резания Р = 150 Н, жесткость нажимной пружины С1 = 33635 Н/м и пружины автоколебаний С2 = 34300 Н/м. В диапазоне рабочей скорости от 6 до 12 км/ч зубчатого диска диаметром 350 мм частота колебаний будет равна п = 36,4...72,8 Гц, а
106
их амплитуда А = 0,02...0,03 м. Фрагменты исследований в почвенном канале тяговых и тягово-вибрационных характеристик: 1 — культиваторной лапы; 2 — зубчатого разрезающего дискового ножа; 3 — комбинированного рабочего органа приведены на рис. 4.
Рисунок 4. Фрагменты исследований в почвенном канале тяговых и тягово-вибрационных характеристик: 1 - культиваторной лапы; 2 - зубчатого разрезающего дискового ножа; 3 - комбинированного рабочего органа
В результате проведенных экспериментов получены данные тягового сопротивления лаповых рабочих органов при различных скоростях движения. Графики зависимости тягового сопротивления экспериментальных рабочих органов приведены на рис. 5.
О 0,5 ¡,0 1,5 2,0 У,м-С-' 3,0 Рисунок 5. Графики зависимости тягового сопротивления рабочих органов от скорости движения: 1 - экспериментальной культиваторной лапы; 2 - зубчатого разрезающего дискового ножа; 3 - комбинированного рабочего органа
В зависимости от увеличения скорости движения рабочих органов с 1 до 2,5 м/с тяговое сопротивление увеличивается: экспериментальной культиваторной лапы - с 300 до 456 Н, разрезающего диска на виброподвеске - от 100 до 140Н, комбинированного рабочего органа - от 210 до 340 Н.
Анализ тягового сопротивления культиваторных рабочих органов с различной шириной лап показал, что среднее значение тягового сопротивления на скорости движения 2,5 м/с составляет: лапового анкерного типа - 435 Н, экспериментального стрелоподобного - 456 Н, лапового обычного - 525 Н.
Общая жесткость системы зависит от соотношения нажимной пружины и пружины автоколебаний, а также их взаимного расположения. Увеличение
твердости почвы приводит к росту силы сопротивления и увеличению амплитуды колебаний. Устойчивые показатели пониженного тягового сопротивления получены поддержанием незатухающих колебаний рабочей системы за счет возникновения параметрических и комбинационных резонансов, связанных с конструктивными особенностями дискового ножа и его подвески. Предпосылками для появления такого рода эффектов является наличие постоянной и переменной составляющей возмущающей силы. В силу этого существенное значение приобретают динамические характеристики крепления и конструктивное оформление крепления рабочего органа, что согласовывается с ранее проведенными исследованиями [13].
Выводы. Установлена принципиальная возможность снижения энергетических затрат при работе садовых культиваторов с повышением надежности и стабильности выполнения технологического процесса междурядного рыхления почвы за счёт выбора оптимального режима колебаний предложенной конструкции рабочего органа. Для эффективного использования вибрационных эффектов, возникающих при поступательном движении агрегата по неровностям почвы, предложены применение конструкций рабочих органов в соответствии с параметрами и режимами работы, обоснованные зависимости для оптимизации энергетической составляющей.
Тяговое сопротивление садового культиватора на примере исследований динамических и энергетических характеристик экспериментальных комбинированных рабочих органов, содержащих разрезающий зубчатый дисковый нож на двухпру-жинной виброподвеске и культиваторную лапу, снижается более чем на 20 %.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования, науки и молодежи Республики Крым в рамках научного проекта № 18-48-910001.
Список использованных источников:
1. Агроуказания по виноградарству / Под ред. А. Субботовича, В. Трифонова. - Кишенев: Картя Молдовен-скэ., 1974. - 274 с.
2. Василенко П. М. Культиваторы / П. М. Василенко, П. Т. Бабий. - Киев, УАСХН, 1961. - 270 с.
3. Циммерман М. З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин. -М.: Машиностроение, 1978. - 295с.
4. Сысолин П. В. Почвообрабатывающие и посевные машины / П. В.Сы-солин, Л. В. Погорелый. - К.: Феникс, 2005.- С. 132.
References:
1. Agromasina on viticulture / edited by A. Sobotovich, V. Trifonov. - Kishinev: Kartya, Moldovanka. - 1974. - 274 p.
2. Vasilenko P. M. Cultivators / P. M. Vasilenko, P. T. Babiy. Kiev, UAS, 1961. - 270 p.
3. Zimmerman M. Z. working bodies of tillage machines. - Moscow: Mechanical Engineering, 1978. - 295 p.
4. Sycolin P. V. soil-Cultivating and sowing machine / P. V. Sycolin, L. V. Po-gorely. - K.: Phoenix, 2005.- P. 132.
5. Malmin N. G. Technological adjustment and quality of work of the com-
108
5. Мальмин Н. Г. Технологическая настройка и качество работы комбинированных почвообрабатывающих машин и агрегатов / Сер. Механизация растениеводства. Испытание новой техники. - М.: Информагротех. 1991. - 28 с.
6. Сизов О. А. Перспективные способы автоматического поддержания оптимального режима работы пахотного агрегата / О. Ф. Сизов, В. К. Хорошен-ков. Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве. Минск - Москва, 2000. - С. 90-92.
7. Карпенко А. Н. Сельскохозяйственные машины / А. Н. Карпенко, А. А. Зеленев, В. М. Халанский. - М.: Колос, 1976. - 510 с.
8. Ветохин В. И. Тенденции развития орудий и рабочих органов рыхлителей почвы. Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий / Сборник научных докладов Международной научно-технической конференции (17-18 сентября 2014 г., Москва). - М.: ФГБНУ ВИМ, 2014. - С. 38-41.
9. Горобей В. П. Оптимизация конструкции сошникового узла с зубчатым разрезающим диском / В. П. Го-робей // Тракторы и сельхозмашины. 2014. - № 4. - С.6-8.
10. Козаченко О. В. Дослщження затрат мехашчно! енергп машинами сшьськогосподарського призначення на вирощуванш продукцн рослинни-цтва / О. В. Козаченко // Мехашзащя та електрифшащя сшьськогогоспо-дарства: мiжвiд. темат. наук. зб. - Гле-ваха, 2004. - Вип. 86. - С. 91-97.
11. Бабицкий Л. Ф. Бионические направления разработки почвообраба-
bined soil-cultivating machines and units / Ser. Mechanization of crop producti-on.Testing of new equipment. - M.: Informagrotekh. 1991. - 28 p.
6. Sizov O. A. Promising methods for automatic maintenance optimal working mode of the arable unit / O. F. Sizov, V. K. Khoroshenkov. Automation of production processes in agriculture. Minsk-Moscow, 2000. - P. 90-92.
7. Karpenko A. N. Agricultural machines / A. N. Karpenko, A. A. Zelenev, V. M. Khalansky. - Moscow: Kolos, 1976. - 510 p.
8. Vetohin V. I. Trends in the development of tools and working bodies of the cultivators of the soil. Innovative development of Russian agroindustrial complex on the basis of intelligent machine technologies/ Collection of scientific reports of the International scientific and technical conference (September 17-18, 2014, Moscow). - M.: FSBSI VIM, 2014. - P. 38-41.
9. Gorobei V. P. design Optimization sosnicowice node with a scalloped cutting disc/V. P. gorobey//Tractors and agricultural cars. 2014. - № 4. - P. 6-8.
10. Kozachenko O. V. Investigation of the expenditure of mechanical energy by agricultural machinery on the cultivation of crop production / V. Kozachenko // Mechanization and electrification of agriculture: Interd. themat. sciences. Sat. -Glevaha, 2004. - Issue. 86. - P. 91-97.
11. Babitsky L. F. Bionic directions of development of soil-cultivating machines / L. F. Babitsky. - K., Crop, 1998. - 160 p.
12. Gorobei V P. Laboratory tests of traction resistance of the working bodies
109
тывающих машин / Л. Ф. Бабицкий. -К., Урожай, 1998. - 160 с.
12. Горобей В. П. Лабораторные исследования тягового сопротивления рабочих органов для обработки почвы и посева / В. П. Горобей, О. Е. Таримов, Л. Ф. Бабицкий, В. Ю. Москалевич // Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ». - Симферополь, 2012. -№ 150, - С. 69-71.
13. Кондратьев Е. Л. К проблеме исследования вибрационных процессов, возникающих при работе куль-тиваторной лапы с упругой стойкой / Конструирование рабочих органов сельскохозяйственных машин. - Ростов-на-Дону, РИСХМ, 1971. - С. 213-215.
Сведения об авторах:
Горобей Василий Петрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела технологического оборудования и механизации сельского хозяйства Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия „Магарач" РАН», e-mail: trial237@rambler.ru, Республика Крым, 298600, г. Ялта, ул. Кирова, 31.
Сильвестров Антон Владимирович -кандидат технических наук, начальник отдела технологического оборудования и механизации сельского хозяйства Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия „Магарач" РАН», e-mail: asilvestr12@ mail.ru, Республика Крым, 298600, г. Ялта, ул. Кирова, 31.
for tillage and seeding/ V. P. Gorobei, O. E. Tarimo, L. F. Babitsky, V. Yu. Mos-kalewicz // proceedings of LF Nulesu «CATU». - Simferopol, 2012. - №> 150, -P. 69-71.
13. Kondratiev E. A. the problem of the study of vibration processes that occur when you work the cultivation legs with elastic stand / Design of the working bodies of agricultural machinery. - Rostov-on-don, Rahm, 1971. -P. 213-215.
Information about the authors:
Gorobey Vasiliy Petrovich - Candidate of Technical Sciences, Senior researcher of the Department of Process Equipment and Mechanization of Agricultural Production, Federal State Budget Scientific Institution «All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking „Magarach" of RAS», e-mail: magarach@rambler.ru, Republic of Crimea;
Silvestrov Anton Vladimirovich -Candidate of Technical Sciences, the head of the Department of Process Equipment and Mechanization of Agricultural Production, Federal State Budget Scientific Institution «All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking „Magarach„ of RAS», e-mail: magarach@ rambler.ru, Republic of Crimea;
Ignatenko Aleksey Ivanovich, -head of the Section of mechanization of Agricultural Production, Federal State
110
Игнатенко Алексей Иванович - инженер, начальник производственного участка Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия „Магарач" РАН», e-mail: magarach@rambler.ru, Республика Крым, 298600, г. Ялта, ул. Кирова, 31.
Бабицкий Леонид Федорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Москалевич Вадим Юрьевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: v_moskalevich@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Budget Scientific Institution «All-Russi-an National Research Institute of Viticulture and Winemaking „Magarach" of RAS», e-mail: magarach@rambler.ru, Republic of Crimea.
Babitskiy Leonid Fedorovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, the head of the Section of mechanization and technical services in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: a.m.izotov@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
Moskalevich Vadim Yurievich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Section of mechanization and technical services in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: a.m.izotov@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
111
