ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛЕМЕХА С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ НАКЛОНА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.356

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛЕМЕХА С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ НАКЛОНА

НЕСТЕРОВИЧ Эдуард Олегович, аспирант кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка, km340010@rambler.ru

БЫШОВ Николай Владимирович, д-р техн. наук, профессор, ректор, km340010@rambler.ru КОСТЕНКО Михаил Юрьевич, д-р техн. наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта машин, km340010@rambler.ru

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

МУРОГ Игорь Александрович, д-р техн. наук, профессор, директор Рязанского института (филиала) Московского политехнического университета, igor.murog@bk.ru

НЕФЕДОВ Борис Александрович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры управления, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, b.a.nefedof@ mail.ru

Показатели работы картофелеуборочных машин в значительной мере определяются работой подкапывающей части картофелеуборочной машины. Предложено модернизировать подкапывающие рабочие органы картофелеуборочной машины, а именно, применить переменный угол наклона лемеха к горизонту при подкапывании картофеля на различных типах почв в различных почвен-но-климатических условиях. Применение подпружиненного лемеха изменяет подачу клубненосного пласта на элеватор, он поступает несколько ниже относительно поверхности рабочей ветви элеватора. Так как предлагаемый нами копатель предназначен для работы на разных видах почв, в том числе и тяжелых, была рассмотрена механика взаимодействия лемеха в качестве подъемного устройства со связным пластом почвы, а также методики расчета неизвестных реакций связей и тягового сопротивления лемеха. Полученные математические модели позволили установить характер взаимодействия лемеха с пластом при различных углах наклона. Так, с увеличением угла наклона лемеха возрастает тяговое сопротивление, причем зависимость будет параболической. Следует отметить, что наибольший прирост тягового сопротивления наблюдается при углах наклона лемеха более 25°. Переменный угол наклона лемеха во время работы обеспечивается за счет применения пружины. Для обоснования параметров пружины было рассмотрено силовое взаимодействие клубненосного пласта с лемехом. Учитывая, что движение картофелекопателя в установившемся режиме осуществляется с постоянной скоростью, из условия равновесия лемеха установлено, что величина усилия сжатия пружины существенно зависит от скорости копателя. Полученные зависимости позволяют осуществить выбор рациональных параметров подпружиненного лемеха для конкретных условий работы картофелеуборочной машины.

Ключевые слова: картофелеуборочная машина, подкапывающая часть, подпружиненный лемех, тяговое сопротивление, угол наклона

Введение

Показатели работы картофелеуборочных машин в значительной мере определяются работой их подкапывающей части. Интенсивное воздействие на клубненосный пласт в начале технологического процесса картофелеуборочной машины позволяет улучшить сепарацию без существенного увеличения повреждений клубней картофеля, так как между лемехом и клубнями имеется прослойка почвы [1,2,5,6]. В то же время воздействие на клубненосный пласт может увеличить и вероятность сгруживания почвы на лемехе. Поэтому интенсивность воздействия подкапывающих органов на клубненосный пласт должна определяться исходя из почвенно-климатических условий на момент уборки. Для решения данной задачи мы предлагаем модернизировать подкапывающие

рабочие органы картофелеуборочной машины, а именно: конструкция выкапывающего органа должна позволять изменять угол наклона лемеха к горизонту при подкапывании картофеля на различных типах почв в различных почвенно-клима-тических условиях.

Объект исследований Транспортировка и крошение пласта определяются формой подкапывающих рабочих органов и взаимным расположением элементов. В нашем случае подкапывающее устройство состоит из кронштейна с подпружиненным лемехом, который меняет свое положение относительно передних опор первого элеватора.

Рассмотрим геометрическую схему лемеха с изменяемым углом наклона (рис. 1).

© Нестерович Э. О., Бышов Н. В., Костенко М. Ю., Мурог И. А., Нефедов Б. А., 2018 г.

а

Определим значение угла воздействия первого элеватора на подкопанный пласт:

соэ /? = Тогда:

Ь — (/ + а) соэ д

Я

¡3 - агссоз

Ь - (/ + а) соэ 8 К

Найдем изменение угла наклона лемеха:

6 = а -а

(3)

(4)

(5)

Таким образом, нами получены зависимости между геометрическими параметрами углов установки лемеха, которые будут применены в дальнейших исследованиях.

Методы исследований При работе машин с пассивными рабочими органами, имеющими форму клина, деформация почвы отличается большим разнообразием вследствие значительной вариации её физико-механических свойств, а также многообразия видов и параметров рабочих органов [4].

Так как предлагаемый нами копатель предназначен для работы на разных видах почв, в том числе и тяжелых, нас интересует механика взаимодействия лемеха в его функции подъемного устройства со связным, отделяющимся в виде ленты пластом почвы, а также методики расчета неизвестных реакций связей и тягового сопротивления лемеха.

Для случая связного пласта В.А. Ксендзовым рассмотрено взаимодействие пласта с двугранным клином и получены выражения для опреде-

ления силовых характеристик взаимодействия. На рассматриваемый участок пласта оказывают действие нормальная реакция N и сила трения Т со стороны рабочей поверхности клина (лемеха), а также реакция подпора Q со стороны неподвижного участка, расположенного перед лемехом (рис. 2). Эти силы - равнодействующие соответствующих распределенных сил на рабочей поверхности лемеха и границе разделов участков пласта [4].

L - длина лемеха, а - зазор между лемехом и валом первого элеватора, 10 - расстояние от носка лемеха до шарнира, I - длина шарнирной части лемеха, R - радиус звездочки первого элеватора, р - угол воздействия первого элеватора на подкопанный пласт, - изменение угла наклона лемеха, а - начальный угол установки лемеха, Ь - расстояние между шарниром лемеха и центром вращения звездочки первого элеватора Рис. 1 - Геометрическая схема лемеха с изменяемым углом наклона Расстояние между шарниром лемеха и центром вращения ведомого вала первого элеватора:

Ъ=(1 + а) соъд^+Ясоя/З, (1)

Тогда зазор между лемехом и валом элеватора:

' (2)

N - нормальная реакция, Т - сила трения, G - сила тяжести, D - сила динамического давления пласта, О - реакция подпора, О - составляющая реакции

подпора действующая вдоль оси х , О - составляющая реакции подпора, действующая

вдоль оси у , - угол наклона лемеха Рис. 2 - Схема сил, действующих на участок пласта

Для плоской произвольной системы сил можно составить лишь одно векторное уравнение равновесия и два соответствующих ему скалярных в проекциях на оси х1 и у1:

0 + М + Т + в = 0;

- С 81п а - Т - 0; -<22 -Ссоъа + N = 0.

(7)

где:

О - реакция подпора, N - нормальная реакция, Т - сила трения, С - сила тяжести,

С),-составляющая реакции подпора, действующая вдоль оси х ,

О2 - составляющая реакции подпора, действующая вдоль оси у ,

а- угол наклона лемеха.

Составим уравнение равновесия лемеха:

где:

f - коэффициент трения, Ф- угол трения почвы о металл. С учетом зависимости Т= /И имеем четыре неизвестных и три уравнения для их определения, т. е. задача статически неопределима. Значит, рас-

сматриваемый тип задачи статики не может быть решен применением только метода составления уравнений равновесия. Решение возможно в случае, если число неизвестных сделать равным числу уравнений. Для этого составим дополнительное уравнение на основе принципа возможных перемещений:

(9)

где P - тяговое сопротивление лемеха, Н.

Исключая силу трения, получим систему уравнений:

<2j - Gsinor - fN - 0,

-Q2-Gcosa + N = 0, (10)

P-Gsina-fN = 0, Р - N sin а - fN cos a = 0.

Из (1) и (3) уравнений системы (10) следует, что , тогда:

Q1-Gsma-fN = 0, -Q2 -Gcosa + N = 0, Q1 -Nsina - fN cos« = 0. Вычтем из (1) уравнение (3):

(11)

(12)

откуда найдем N:

(13)

Теперь можем найти Q и Q :

(14)

(16)

(17)

(18)

где к - удельный коэффициент сопротивления почвы, Н/м.

Тяговое сопротивление

(19)

Результаты исследований и их обсуждение

Определим значения данных сил при изменении угла наклона а; расчеты производили в программе Mathcad (рис. 3).

(15)

Окончательные выражения для расчета силовых характеристик будут: Составляющие силы подпора пласта

Динамическое давление пласта

Рис. 3 - График зависимости тягового сопротивления лемеха от его угла наклона

Анализируя полученный график, можно заметить, что с увеличением угла наклона лемеха возрастает тяговое сопротивление, причем зависимость будет параболической. Наибольший прирост тягового сопротивления наблюдается при углах наклона лемеха от 25° до 30°, что соответствует углу в радианах от 0,44 до 0,52. При снижении влажности увеличивается сопротивление почвы, что приводит к увеличению тягового сопротивления при меньших углах. Поэтому нами было предложено с целью уменьшения тягового сопротивления угол наклона лемеха сделать переменным, в зависимости от состояния почвы. Чем больше сопротивление почвы, тем меньше угол наклона. Для лучшего крошения почвы основное воздействие на подкопанный клубненосный пласт будет оказывать передняя часть элеватора [4,7].

Переменный угол наклона лемеха обеспечивается за счет применения пружины. Для обоснования параметров пружины рассмотрим силовое взаимодействие клубненосного пласта с лемехом. Так как движение картофелекопателя в установившемся режиме осуществляется с постоянной скоростью, рассмотрим равновесие лемеха под действием активных сил. Силами, действующими

на лемех, будут: реакция подпора пласта О, вес пласта С и нормальная реакция поверхности лемеха N (рис. 4).

тия пружины:

М\ХС~10)

^ = -

1 ПР

(23)

I

Подставив значения нормальной реакции N получим:

(24)

= (./¡](ХС -/„(зта- 2каЬл^ эт^-

а а . а

<р+2)1\2-ш2

Для анализа влияния скорости копателя и параметров убираемого клубненосного пласта проведем расчеты в программе МаШсас1:

кпг

N - нормальная реакция, в - сила тяжести, Л - высота пласта, 0 - реакция подпора, - длина лемеха, 10 - расстояние от носка лемеха до шарнира, / - длина шарнирной части лемеха, 8 - изменение угла наклона лемеха, а - начальный угол установки лемеха, а/2 - угол между реакцией подпора и горизонталью Рис. 4 - Схема силового взаимодействия клубненосного пласта с лемехом

Для нахождения нормальной реакции пласта рассмотрим сумму моментов относительно шарнира лемеха

ЪМЛ= О

ЩХС-/„)-С{Хс - 1„)*та - ¿а - = О

12 2) (20)

где Хс - центр тяжести лемеха.

Выразим нормальную реакцию поверхности лемеха из выражения (20):

(21)

Для определения усилия пружины рассмотрим взаимодействие лемеха с пружиной. Величину усилия сжатия пружины можно определить из уравнения равновесия как сумму моментов относительно шарнира А (рис. 5).

скявкть «шггм и с

Рис. 5 - Схема силового взаимодействия лемеха с пружиной

Выразим из выражения (22) величину усилия сжа-

Рис. 6 - График влияния скорости копателя и параметров убираемого пласта на величину усилия сжатия пружины Из представленного графика видно, что величина усилия сжатия пружины значительно зависит от скорости копателя. С увеличением скорости возрастает усилие сжатия пружины. Представленные зависимости позволяют осуществить рациональный выбор пружин для конкретных условий работы картофелеуборочной машины.

Заключение Исследование влияния угла наклона лемеха показало, что наибольший прирост тягового сопротивления наблюдается при углах наклона лемеха от 25° до 30°. С целью уменьшения тягового сопротивления предложено угол наклона лемеха сделать переменным, в зависимости от сопротивления почвы. Основное воздействие на подкопанный клубненосный пласт следует оказывать на начале элеватора картофелеуборочной машины.

Список литературы

1 Инновационные процессы и устройства для "бережной" сепарации клубней в технологии машинной уборки картофеля [Текст] /. Бышов Н. В, Борычев С. Н., Успенский И. А. [и др.] // Система технологий и машин для инновационного развития АПК России : сборник научных докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 145-летию со дня рождения основоположника земледельческой механики академика В. П. Горячкина. - Москва : Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии), 2013. - С. 277-279.

2 Инновационные решения уборочно-транс-портных технологических процессов и технических средств в картофелеводстве [Текст] / Г.К.

Рембалович, Н.В. Бышов, С.Н. Борычев [и др.] // 5 Перспективные направления и техниче-

Инновационные технологии и техника нового по- ские средства для снижения повреждений клуб-

коления - основа модернизации сельского хозяй- ней при машинной уборке картофеля [Текст] / Н.

ства : сборник научных докладов Международной В. Бышов, С. Н. Борычев, Г. К. Рембалович [и др.]

научно-технической конференции. - Ч.2. / Ответ- // Техника и оборудование для села. - 2013. - № 8

ственный редактор: Лачуга Ю.Ф. - М. : ВИМ, 2011. (194) - С. 22-24.

- С. 455-461. 6 Способ контроля скрытых повреждений

3 Ксендзов, В. А. Механика взаимодействия клубней картофеля [Текст] / М.Ю. Костенко, Н.В. двухгранного клина со связным пластом почвы Бышов, С.Н. Борычев, [и др]. // Политематический [Текст] / В. А. Ксендзов, К. О. Байдулетов // Тракто- сетевой электронный научный журнал Кубанско-ры и сельхозмашины. - 1991. - №3. - С. 27-28. го государственного аграрного университета (На-

4 Математическая модель вероятностной учный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. -оценки наступления технологического отказа кар- Краснодар: КубГАУ, 2016. - №120. С. 1166-1187. тофелеуборочной машины / А.А. Голиков, М.Ю. Ко- 7 Теоретические и практические основы при-стенко, Г.К. Рембалович, И.А. Успенский // Полите- менения современных сепарирующих устройств матический сетевой электронный научный журнал со встряхивателями в картофелеуборочных ма-Кубанского государственного аграрного универси- шинах [Текст] / Н. В. Бышов, С. Н. Борычев, И. тета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ре- А. Успенский [и др.] // Политематический сетевой сурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №05(099). С. электронный научный журнал Кубанского государ-189 - 200. - IDA [article ID]: 0991405011. - Режим ственного аграрного университета (Научный жур-доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/11.pdf, нал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар 0,75 у.п.л. :КубГАУ, 2013. - № 05 (089). - С. 859 - 869.

INVESTIGATION OF THE LEMECH TYPE RESISTANCE WITH A VARIABLE TILT ANGLE

Nesterovich Eduard O., postgraduate student, www.rgatu.ru

Byshov Nikolai V., doctor of technical sciences, Professor, Rector, www.rgatu.ru

Kostenko Mikhail Yu., doctor of technical sciences, Professor Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostycheva

Murog Igor A., doctor of technical sciences, Professor, Director of the Ryazan Institute (branch) of the Moscow Polytechnic University, igor.murog@bk.ru

Nefedov Boris A., doctor of technical sciences, Professor

The performance of potato harvesters is largely determined by the work of the digging part of the potato harvesting machine. It is proposed to modernize the digging tools of the potato harvesting machine, namely, to apply ^ a variable angle a of the slope tilt to the horizon when digging potatoes on different types of soils under different soil and climatic conditions. The use of spring-loaded plowshares changes the feeding of the tuber stratum onto the elevator, it comes somewhat lower relative to the surface of the working branch of the elevator. Since the digger proposed by us is designed to work on different types of soils, including heavy ones, the mechanics of interaction of the share with the cohesive soil layer was considered, using plowshares as a lifting device, as well as methods for calculating unknown bond reactions and coupler drag. The obtained mathematical models allowed to establish the character of the interaction of the share with the layer at different angles of inclination. So with increasing slope angle, the traction resistance increases, and the dependence will be parabolic. It should be noted that the greatest increase in traction resistance is observed at slope angles of the share more than 25 °. The variable pitch angle of the share during_ operation is provided by the use of a spring. To substantiate the parameters of the spring, the force interaction between the tuber layer and the share was considered. Given that the movement of the potato digger in the steady state is carried out at a constant speed, it is established from the equilibrium of the coulter that the value of the compression force of the spring depends significantly on the speed of the digger. The obtained dependences make it possible to select the rational parameters of the spring-loaded share for the specific working conditions of the potato harvesting machine.

Key words: potato harvesting machine, undercutting part, spring-loaded share, traction resistance, angle of inclination.

Literatura

l.Innovacionnye processy i ustrojstva dlya "berezhnoj" separacii klubnej v tekhnologii mashinnoj uborki kartofelya [Tekst] /. Byshov N. V, Borychev S. N., Uspenskij I. A. [i dr.] // Sistema tekhnologij i mashin dlya innovacionnogo razvitiya APK Rossii: sbornik nauchnyh dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, posvyashchennoj 145-letiyu so dnya rozhdeniya osnovopolozhnika zemledel'cheskoj mekhaniki akademika V. P. Goryachkina. - Moskva: Vserossijskijnauchno-issledovatel'skijinstitut mekhanizacii sel'skogo hozyajstva (GNU VIM Rossel'hozakademii), 2013. - S. 277-279.

2.Innovacionnye resheniya uborochno-transportnyh tekhnologicheskih processov i tekhnicheskih sredstv v kartofelevodstve / G.K. Rembalovich, N.V. Byshov, S.N. Borychev [i dr.]//V sb.: «Innovacionnye tekhnologii i tekhnika novogo pokoleniya - osnova modernizacii sel'skogo hozyajstva». Sbornik nauchnyh dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. CH.2. Otvetstvennyj redaktor: Lachuga YU.F. M.: VIM, 2011. S. 455-461.

3.Ksendzov V.A., Bajduletov K.O. Mekhanika vzaimodejstviya dvuhgrannogo klina so svyaznym plastom pochvy.// Traktory i sel'hozmashiny, №3, 1991, S 27-28.

4.Matematicheskaya model' veroyatnostnoj ocenki nastupleniya tekhnologicheskogo otkaza kartofeleuborochnoj mashiny / A.A. Golikov, M.YU. Kostenko, G.K. Rembalovich, I.A. Uspenskij //

Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [EHlektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2014. - №05(099). S. 189 - 200.

- IDA [article ID]: 0991405011. - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/11.pdf, 0,75 u.p.l.

5.Perspektivnye napravleniya i tekhnicheskie sredstva dlya snizheniya povrezhdenij klubnej pri mashinnoj uborke kartofelya [Tekst] / N. V. Byshov, S. N. Borychev, G. K. Rembalovich [i dr.] //Tekhnika i oborudovanie dlya sela. - 2013. - № 8 (194) - S. 22-24.

6.Sposob kontrolya skrytyh povrezhdenij klubnej kartofelya [Tekst] / M.YU. Kostenko, N.V. Byshov, S.N. Borychev, [i dr]. // Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [EHlektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2016. -№120. S. 1166-1187.

7.Teoreticheskie i prakticheskie osnovy primeneniya sovremennyh separiruyushchih ustrojstv so vstryahivatelyami v kartofeleuborochnyh mashinah [Tekst] / N. V. Byshov, S. N. Borychev, I. A. Uspenskij [i dr.] // Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [EHlektronnyj resurs]. - Krasnodar KubGAU, 2013. - № 05 (089).

- S. 859 - 869.

УДК 631.356

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КЛУБНЕНОСНЫЙ ПЛАСТ ЭЛЕВАТОРА КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ

НЕСТЕРОВИЧ Эдуард Олегович, аспирант кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка, university@rgatu.ru

БЫШОВ Николай Владимирович, д-р техн. наук, профессор, ректор, university@rgatu.ru БОРЫЧЕВ Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор кафедры строительства инженерных сооружений и механики, первый проректор, university@rgatu.ru

РЕМБАЛОВИЧ Георгий Константинович, д-р техн. наук, зав. кафедрой технологии металлов и ремонта машин, www.rgatu.ru

Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева

Потери и повреждения в картофелеуборочной машине возникают на переходах с одного рабочего органа на другой, особенно при переходе с подкапывающих рабочих органов на первый прутковый элеватор. При уменьшении угла наклона подпружиненного лемеха подача клубненосного пласта может осуществляться на различной высоте по отношению к опорам основного элеватора. При воздействии прутков основного элеватора на клубненосный пласт его компоненты приобретают определенную скорость. Затем компоненты с приобретенной скоростью движутся внутри картофельного вороха. Так как вес прутка элеватора имеет небольшую величину, то сила удара будет незначительна. Движение компонента картофельного вороха после взаимодействия с прутком элеватора происходит за счет инерции его движения по лемеху и взаимодействия с прутком основного элеватора. Сила сопротивления внутри картофельного вороха пропорциональна скорости движения компонента, направлена в противоположную сторону. Траектория движения компонента картофельного вороха после взаимодействия с элеватором представляет собой параболу и зависит от угла воздействия первого элеватора на подкопанный пласт и скорости движения компонента по лемеху. Подбрасывание компонентов картофельного пласта обеспечивает местное воздействие на клубненосный пласт, а свободное перемещение компонентов улучшает сепарацию почвы благодаря переориентации компонентов. При рациональных условиях работы картофелекопателя высота подскока должна составлять 0,06 м, дальность полета частицы - примерно 0,1 м, что не превышает значений, вызывающих повреждения клубней. Предложенная конструкция подпружиненного лемеха позволяет настраивать интенсивность воздействия на клубненосный пласт в зависимости от почвенно-климатических условий.

Ключевые слова: картофелеуборочные машины, воздействие на клубненосный пласт, компоненты картофельного вороха, прутки элеватора, повреждения клубней, сепарация почвы.

Введение

При работе картофелеуборочной машины потери и повреждения возникают, в основном, при переходах с одного рабочего органа на другой [1,2,3]. Наиболее сложным является переход с подкапывающих рабочих органов на первый прутковый элеватор. Важно выяснить взаимное расположение лемеха относительно передних опор элеватора, так как от этого зависит технологическая надежность транспортировки пласта, крошение

почвы, потери и повреждения картофеля.

Методы исследований

Рассмотрим силовое взаимодействие прутков элеватора с клубненосным пластом. При уменьшении угла наклона подпружиненного лемеха подача клубненосного пласта может осуществляться на различной высоте по отношению к опорам основного элеватора. В этом случае интенсивность и направление воздействия прутков на подкопанный пласт будут существенно меняться, причем,

© Нестерович Э. О., Бышов Н. В., Борычев С. Н., Ребмалович Г. К., 2018 г.