CC BY
9
In the production of modern agricultural units, precision farming systems are already provided, which can improve the productivity and quality of processes. One of the fundamental operations that contribute to increasing yields is pre-sowing tillage, during which it is necessary not only to create an optimal soil structure, but also to create an even seedbed at a set depth. Due to changes in the physical and mechanical properties of the soil, this problem is only partially solved at the moment. The paper presents the design of a cultivator stand with an automatic stiffness control, made on the basis of a flexible tubular element. A scheme for controlling the operation of this regulator based on the use of proportional hydraulics is presented. For automatic operation, the control circuit has a microcontroller that allows you to change the hydraulic pressure in the regulator in accordance with the distance sensor readings. The movement that the sensor measures is directly proportional to the depth of movement of the cultivator's working organ in the soil. In the structure of the algorithm presented in this paper, there is an operation for averaging the current value of the X movement in order to compensate for vibrations and measurement errors. The process of operation of the microcontroller is described, its schematic diagram is presented with the indication of the connected ports and terminal contacts. The operation of electric valves is controlled by applying or removing voltage to the contacts connected to the electric hydraulic distributor. The proposed design solution in conjunction with an electronic control system will improve the quality of soil treatment by observing the required depth of movement of working bodies on different types of soil.
Key words: soil treatment, depth, control, algorithm, microcontroller.
-♦-
УДК 631.3
Исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых элементов культиваторов
С.П. Пирогов, д-р техн. наук, профессор; А.Ю. Чуба, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
Исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых элементов культиваторов в зависимости от их геометрических параметров является актуальной задачей. В качестве механической модели трубчатого элемента культиватора выбран пустотелый стержень, изогнутый по определённому радиусу, совершающий колебания в плоскости кривизны продольной оси. На основании уравнений движения бесконечно малого элемента стержня, используя принцип Даламбера, было получено выражение для расчёта собственных частот колебаний гибкого трубчатого элемента культиватора. Для использования при расчётах этого выражения необходимы геометрические параметры трубчатой стойки, физико-механические свойства материала трубки и параметры, зависящие от величины центрального угла трубчатого элемента. Эти параметры были определены для диапазона центральных углов от 150° до 270°. Задаваясь возможными геометрическими параметрами трубчатых элементов культиваторов, в среде MATHLAB были проведены численные эксперименты по определению частот собственных колебаний. На основании этих данных построены графики зависимостей частот собственных колебаний трубчатых элементов в зависимости от толщины стенки упругого элемента, в зависимости от радиуса кривизны продольной оси и в зависимости от центрального угла трубчатого элемента.
Ключевые слова: культиватор, гибкий трубчатый элемент, частота свободных колебаний.
В настоящее время в Российской Федерации решается очень важная задача по цифровизации сельского хозяйства, направленная на повышение эффективности деятельности производителей сельскохозяйственной продукции. Для решения поставленных задач необходимы разработки новых сельскохозяйственных машин и оборудования, способных обеспечить эффективную реализацию разрабатываемых цифровизированных технологий производства сельскохозяйственной продукции [1, 2].
В растениеводстве для предпосевной обработки широкое применение получили культиваторы. Найдя способ снижения тягового сопротивления культиватора, возможно сократить энергетические и материальные затраты на производство продукции растениеводства и снизить её себестоимость. Одним из таких способов является использование положительного влияния на снижение тягового
сопротивления колебаний рабочего органа с определённой частотой и амплитудой. Большое распространение получили культиваторы, у которых рыхлительная лапа закреплена на раме с помощью С-образной стойки, поэтому, чтобы заставить рыхлительную лапу совершать колебательные движения с определёнными параметрами, можно использовать в качестве стоек лап гибкие трубчатые элементы [3, 4]. Изменяя частоту перепадов давления во внутренней полости трубчатой стойки, можно изменять частоту колебаний рабочего органа, а изменением величины перепадов давления можно влиять на амплитуду его колебаний. Кроме того, изменяя внутреннее давление, можно регулировать жёсткость стойки, необходимую для задания оптимальной глубины обработки почвы [5], в зависимости от физико-механических свойств почвы. Но для результативного использования этого эффекта следует
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 4 (84)
применять ГИС-технологии [6, 7] и достижения цифровизации сельского хозяйства [8].
Для внедрения в производство стоек культива-торных лап в виде упругих трубчатых элементов необходимо разработать методы расчёта не только статических характеристик таких стоек, но и динамических, а также исследовать влияние на них геометрических параметров стоек [9]. Одной из важных динамических характеристик является собственная частота колебаний, поэтому исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых элементов культиваторов является весьма актуальным.
Материал и методы исследования. Для расчёта собственных частот колебаний стойки культиваторной лапы в виде упругого трубчатого элемента можно выбрать механическую модель в виде пустотелого стержня, изогнутого с постоянным радиусом кривизны продольной оси. Стержень совершает изгибные колебания в плоскости своей кривизны [10].
Для бесконечно малого элемента длиной Rdф, вырезанного из стойки, используя принцип Да-ламбера, можно получить уравнения движения в проекциях на радиальную и касательную оси .
2
_ , д х дQ лт _ т0 Rd ф—г1 + + N = 0; дг дф
то Rd ф
д 2 х
2 + б--=о,
(1)
(2)
дг2 дф
где х1 - радиальное перемещение; х2 - продольное перемещение; т0 - масса единицы длины трубчатого элемента;
R - радиус кривизны центральной оси; ф - центральный угол элемента; б - продольная сила; N - поперечная сила.
Изгибающий момент в сечении трубчатой стойки равен:
М =-
Х/-Жк
(1V)
ЕЖъ,
Я 2(1 -ц2)
дх2 дф
'
дф2
(3)
где х - изменение кривизны продольной оси; Е - модуль упругости материала трубки; J - момент инерции сечения; Кк - коэффициент Кармана; ц - коэффициент Пуассона.
Предположив невозможность растяжения продольной оси стойки, из уравнений (1), (2), (3), используя условие нерастяжимости, можно получить одно уравнение с одной переменной х2:
+
д 6 х2+2 д!х1+д!х!+ дф6 дф4 дф2
pSR4(1 -ц2) д2 Гд^Хг EJKk ' дг21 дф2
(4)
— Хо
= о,
где р - плотность материала трубки;
£ - площадь поперечного сечения трубки.
В том сечении, где стойка жёстко закреплена на раме агрегата (ф = 0), касательное, нормальное перемещение и угол поворота поперечного сечения стойки равны нулю, а на противоположном конце (ф = у) изгибающий момент, продольные и поперечные усилия обращаются в нуль. На основании этого были составлены граничные условия.
В результате решения уравнения (4) с учётом граничных условий получаем выражение, с помощью которого можно определить частоты собственных колебаний трубчатой стойки куль-тиваторной лапы:
1 ™ Гц (5)
к
2пЯ у р.5(1 — ц2)
где X,- - параметр, зависящий от центрального угла у.
Результаты исследования. Значения X,- были определены для углов от 150° до 270° в результате решения уравнения (4) с учётом граничных условий (табл. 1). Для расчётов частот свободных колебаний нужно знать значения X,, зависящие от центрального угла у, геометрические характеристики трубчатой стойки и физико-механические свойства материала трубки. Таким образом, можно провести серию численных экспериментов в среде МАТ^АВ, анализируя результаты которых можно установить зависимости частот свободных колебаний С-образных гибких трубчатых стоек культиваторных лап от их геометрических параметров.
Исследование влияния толщины стенки к, радиуса кривизны Я и величины центрального угла у стойки культиваторной лапы в виде стального гибкого трубчатого элемента на частоты собственных колебаний проведено на примере элемента плоскоовального поперечного сечения. Такая форма сечения выбрана, основываясь на том, что она является промежуточной между восьмеркообразной и эллиптической. Малая полуось поперечного сечения Ь = 12,5 мм, большая полуось а = 25 мм. На рисунке 1 представлены результаты исследования влияния толщины стенки трубчатого элемента на частоты собственных
1. Значения коэффициентов X, в зависимости от центрального угла стойки
т° 150° 160° 170° 180° 190° 200° 210° 220° 230° 240° 250° 260° 270°
Х1 0,3475 0,2789 0,2279 0,1894 0,1596 0,136 0,1180 0,1033 0,0913 0,0816 0,0735 0,0668 0,0612
Х2 4,5669 3,3397 2,4904 1,8906 1,4590 1,1433 0,9086 0,73163 0,59647 0,49196 0,41022 0,34562 0,29406
Хз 53,06 39,13 29,27 22,17 16,98 13,13 10,24 8,050 6,374 5,080 4,073 3,284 2,662
колебаний. Толщина стенки к изменялась от 2 до 6 мм, радиус кривизны трубчатого элемента Я = 300 мм и величина центрального угла у = 180°. На рисунке 2 представлены результаты исследования влияния радиуса кривизны R (значения от 200 до 500 мм) на частоты собственных колебаний. При этом толщина стенки к = 2,5 мм и величина центрального угла у = 180°. На рисунке 3 видим результаты исследования влияния центрального угла у (значения от 180° до 270°) трубчатого элемента на частоты собственных колебаний. Толщина стенки к = 2,5 мм, радиус кривизны трубчатого элемента Я = 300 мм.
Рис. 1 - Зависимость частоты собственных колебаний от толщины стенки
Рис. 2 - Зависимость частоты собственных колебаний от радиуса кривизны
Выводы. В результате исследования влияния геометрических характеристик стойки культива-торной лапы в виде гибкого трубчатого элемента с постоянным поперечным сечением на частоты собственных колебаний было установлено, что увеличение толщины стенки трубки к ведёт к увеличению частоты собственных колебаний, а увеличение радиуса кривизны центральной оси стойки Я, увеличение центрального угла пружины у влечёт уменьшение частоты собственных колебаний гибких трубчатых элементов культиваторов.
Разработка методов расчёта характеристик гибких трубчатых элементов [11, 12] и исследование влияния геометрических параметров трубчатых элементов на их технические характеристики позволят использовать преимущества таких стоек и производить эффективное оборудование для растениеводства.
Литература
Рис. 3 - Зависимость частоты собственных колебаний от центрального угла
1. Кирилова О.В. Инновационные рычаги стратегического управления прецизионными технологиями в условиях цифровой экономики // Евразийский юридический журнал. 2018. № 2 (117). С. 332 - 334.
2. Чуба А.Ю., Чуба А.Ю. Современные решения в области цифровизации и автоматизации сельского хозяйства // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 5 (79). С. 163 - 165.
3. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Сельскохозяйственные машины с трубчатыми упругими элементами // Инженерный вестник Дона. 2017. № 4 (47). С. 81.
4. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Применение манометрических трубчатых пружин в сельскохозяйственной технике. Тюмень: ГАУ СЗ, 2017. 84 с.
5. 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.
6. Кирилова О.В., Чуба А.Ю. Эффект использования спутниковых навигационных систем и ГИС-технологий в сельском хозяйстве // Сельский механизатор. 2018. № 12. С. 2 - 3.
7. Чуба А.Ю., Кирилова О.В. Разработка научно обоснованных систем ведения сельского хозяйства с использованием спутниковых навигационных систем // Агропродовольственная политика России. 2017. № 10 (70). С. 157 - 161.
8. Кирилова О.В., Чуба А.Ю.Особенности эффективного использования ГИС-технологий в цифровой экономике сельского хозяйства // Экономика и предпринимательство. 2018. № 11 (100). С. 1000 - 1003.
9. Pirogov S.P., Cherentsov D.A., Chuba A.Yu. Study of elastic sensing elements for vibration-resistant pressure gauges // IOP conference series: materials science and engineering сер. «International scientific-practical conference of students, graduate students and young scientists «Transport and storage of hydrocarbons» 2016. С. 012015.
10. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Расчёт частот собственных колебаний манометрических трубчатых пружин // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 1. С. 39 - 42.
Чуба А.Ю., Пирогов С.П., Дорофеев С.М. Определение частот собственных колебаний трубчатой пружины переменного по длине поперечного сечения // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2007. № 2. С. 70 - 74.
12. Чуба А.Ю., Смолин Н.И., Пирогов С.П. Определение собственных частот колебаний изогнутых труб некругового поперечного сечения // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2007. № 1. С. 77 - 82.
11
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 4 (84)
Пирогов Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор Чуба Александр Юрьевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7 E-mail: [email protected]; [email protected]
Investigation of natural vibration frequencies of flexible tubular elements of cultivators
Pirogov Sergey Petrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor
Chuba Alexander Yurievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Northern Trans-Ural State Agricultural University
7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia
E-mail: [email protected]; [email protected]
Methods for calculating the characteristics of oscillatory motion are needed. One of the important characteristics of oscillatory motion is the natural frequency of vibrations. Therefore, the study of the natural frequencies of oscillations of flexible tubular elements of cultivators depending on their geometric parameters is an urgent task. As a mechanical model of the tubular element of the cultivator, a hollow core is selected, which is bent along a certain radius. It vibrates in the plane of curvature of the longitudinal axis. An infinitesimal element is cut from this rod. For the element, equations of motion are compiled using the d'Alembert principle. As a result of solving these equations, an expression was obtained for calculating the natural frequencies of vibrations of the flexible tubular element of the cultivator. For use in calculating this expression, the geometric parameters of the tubular stand, the physicomechanical properties of the tube material, and a parameter depending on the magnitude of the central angle of the tubular element are necessary. The values of this parameter were determined for the range of central angles from 150° to 270°. In MATHLAB, numerical experiments were conducted to determine the frequencies of natural vibrations. For this, the possible geometric parameters of the tubular elements of the cultivators were set. Based on these data, we plotted the dependences of the frequencies of the natural vibrations of the tubular elements depending on the geometric parameters of the elastic tubular elements. These parameters are: the wall thickness of the tubular element, the radius of curvature of the longitudinal axis and the central angle of the elastic tubular element.
Key words: cultivator, a flexible tubular member; frequency of free oscillations.
-Ф-
УДК 664.71.05
Результаты экспериментального определения физико-механических свойств материалов, обрабатываемых в шелушильной машине*
А.В. Анисимов, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ
Цель исследования - экспериментальное определение физико-механических свойств предварительно увлажнённого зерна пшеницы и его оболочек: скорости витания; коэффициента трения по поверхности цилиндра; угла естественного откоса и коэффициента внутреннего трения, влияющих на конструктивные и режимные параметры машины. Работа выполнена по результатам экспериментальных исследований по определению основных физико-механических свойств зерна пшеницы и его оболочек. Приведены структурно-функциональная схема и описание разрабатываемой шелушильно-сушильной машины, отмечены физико-механические свойства, влияющие на траектории движения зерновок и кинематические параметры их движения внутри машины, а следовательно, и на её конструктивные и режимные параметры, которые можно определить только экспериментальным путём. Представлена методика определения исследуемых физико-механических свойств зерна пшеницы и условия экспериментов. По результатам экспериментов выявлены значения исследуемых физико-механических свойств материала при различной влажности. Анализ полученных результатов показал, что с увеличением влажности материала растут и значения исследуемых факторов: скорость витания, коэффициент трения по поверхности цилиндра, угол естественного откоса и коэффициент внутреннего трения. В интервале влажности 15 - 17 % рост значений всех факторов (кроме скорости витания) практически отсутствует и возобновляется после дальнейшего повышения влажности. Полученные значения могут быть использованы для теоретического определения конструктивных параметров
* Исследования проведены по договору с Фондом содействия инновациям (№ 180ГС1/6784 от 25.12.2014) по программе «СТАРТ», на лабораторной базе ООО «Старый мельник» (г. Энгельс) и ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ».
