CC BY
27
УДК 631.31
ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА КУЛЬТИВАТОРА
Л. З. Шарафиев*, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., e-mail: sharaf_len@mail.ru.;
А. Р Валиев**, канд. техн. наук, доцент, e-mail: ayratvaliev@mail.ru;
Р. С. Багманов, канд. техн. наук;
Н. К. Мазитов*, доктор с.-х. наук, профессор, член-корр. Россельхозакадемии
*ГНУ «Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства»
РАСХН, г. Казань, Россия
**ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет», Россия
Проведен анализ влияния колебательного рабочего органа на тяговое сопротивление агрегата, представлены результаты экспериментальных исследований колебательных рабочих органов (рыхлителей) культиватора для предпосевной обработки почвы. Испытаны и предложены S-образные рыхлители, позволяющие комплектовать культиваторы для обработки почв тяжелосуглинистого механического состава. Исследованы упругие свойства рыхлителей: жесткость, собственная частота колебаний, амплитудно-частотные характеристики, спектральная плотность колебаний. В результате лабораторно-полевых исследований установлено влияние скорости агрегата на амплитудно-частотные характеристики колебаний рыхлителей различной жесткости. Процесс колебаний рабочего органа культиватора (рыхлителя) исследован в трех направлениях (плоскостях): в поперечном (X), в продольном (Y) и вертикальном (Z). Получены оптимальные параметры колебаний при различных скоростях агрегата в процессе обработки почв тяжелосуглинистого механического состава и геометрические параметры рыхлителя. В результате испытаний установлено, что жесткий упругий рыхлитель позволяет снизить энергозатраты на 7...8 %.
Ключевые слова: колебательный рабочий орган, упругий рыхлитель, предпосевная обработка, частота колебаний, амплитуда, спектральная плотность колебаний.
Введение. Проблема снижения энергозатрат при обработке почвы продолжает оставаться важнейшей задачей при разработке новых почвообрабатывающих орудий и их рабочих органов, так как повышенное тяговое сопротивление влечет за собой увеличение расхода топлива, ограничение увеличения ширины захвата агрегата и, в конечном итоге, отрицательно влияет на производительность труда и себестоимость продукции. Поэтому исследования, направленные на уменьшение потребной силы тяги почвообрабатывающих орудий, являются актуальными [1, 2, 3].
Снижению тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий посвящено много исследований рабочих органов колебательного действия [4- 10]. Установлено, что применение колебательного движения при принудительном перемещении рабочего органа способствует уменьшению тяговых усилий и повышению качества обработки почвы [11, 12].
Условия, материалы и методы исследований. Изучены 5 конфигураций Б-образных колебательных рабочих органов культиватора с различными геометрическими параметрами. На основе проведен-
ных испытаний на деформацию (жесткость) в специально изготовленной лабораторной установке из пяти рыхлителей отобрали два наиболее жестких с условными обозначениями 1К и 2К. Рыхлитель 2К (рис.1) был получен из 1К на основе изменения поперечного сечения с 40х10 на 48х10 мм. Как показали исследования, рыхлитель 1К имел жесткость 60 Н/см, а 2К - 72 Н/см.
В лабораторных условиях определяли жесткость упругих стоек в двух плоскостях и амплитудно-частотные характеристики собственных колебаний рабочего органа, а в полевых условиях (рис. 2) - амплитудно-частотную характеристику, спектральную плотность колебаний. Экспериментальные исследования проведены по общепринятой методике согласно ГОСТ 70.4.2-80, ГОСТ 24346-80.
Полевые испытания упругого рыхлителя провели на черноземных почвах тяжелосуглинистого механического состава при влажности 23...25 % и твердости почвы 0,8...1,2 МПа.
Колебания упругих рыхлителей 1К и 2К определялись в процессе обработки почвы тяжелосуглинистого механического состава на глубину 5.8 см при движении агрегата со скоростью от 0,5 до 3,5 м/с.
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 61
Рис. 1. Общий вид рыхлителя 2К
Рис. 2. Полевая экспериментальная установка: 1 - датчики вибрации ВК-310А измерительной системы Диана - 2М
Предельная относительная ошибка измерений колебаний составила до 5 %.
Анализ результатов. Лабораторные исследования процесса деформации показали, что наибольшей жесткостью из числа исследованных рыхлителей обладает упругий рыхлитель 2К (усиленный), который при рабочей нагрузке 200 Н деформировался от горизонтали на 24 мм (по оси X), а по вертикали лишь на 10 мм (по оси Z) (рис. 3).
На рис. 4, 5, 6, 7 представлены зависимости амплитуды и частоты от скорости агрегата для рыхлителей 1К и 2К.
Собственная частота колебаний рыхлителя 1К составила 9 Гц. Собственная частота колебаний является одним из основных показателей колебательной систе-
мы, которую всегда учитывают при проектировании технических средств и их узлов.
Рассмотрим амплитудно-частотные характеристики при скорости агрегата V = 2,3 м/с = 8 км/ч, что соответствует средней рабочей скорости аналогичных культиваторов. Анализ графиков показывает (рис. 4), что амплитуда колебаний 1К в продольном направлении при скорости агрегата V = 2,3 м/с составляет 11 мм, при этом вертикальное колебание сохраняет амплитуду 8 мм, что соответствует нормам. А амплитуда поперечных (X) колебаний носка рыхлителя составляет - 20 мм, что положительно влияет на выравнивание профиля дна борозды и снижение тягового сопротивления рабочего органа (для расчета вводятся поправочные ко-
70
60
§ 50 §
I 40
<В
I 30 $ 20
10
■_______
.—д
_______ □ Гориз.1К
О Верт.1К д Гориз. 2К
О Верт.2К
100
200
300
400 500
Усилие, Н
Рис. 3. Деформация стойки 1К и 2К
0
0
эффициенты Ку= 1,18, Кк= 1,44 определяющие амплитуды носка рыхлителя в соответствующих направлениях, так как датчики расположены на разных расстояниях от оси качения).
Спектральный анализ колебаний рыхлителя 1К (рис. 5) показывает, что колебания в продольном направлении имеют не-
18
большой рост частоты как на основной (У1) (7,8 Гц), так и на дополнительной частоте (У2) (до 13 Гц). Частота колебаний в поперечном направлении (Х1) имеет тенденцию роста (от 4 до 6 Гц). А частота колебаний в вертикальном направлении практически не зависит от скорости и сохраняется в пределах 7 Гц.
м16 -'14 -12 -10 -8 6
4
О Ах, мм Ах = 3,4176ЩУ) + 12,072 К2 = 0,949 ^—
□ Ау, мм
Д Аг, мм О . Ау = 2,6059Ьп(У) + 8,9237 К2 = 0,873 п —□
/ ■ О у ^^■ _________Д д^-—----
Аг = 1,9363Ьп(У) + 7,2575 К2 = 0,983
О 1 2 3 V, м/с 4
Рис. 4. Зависимости амплитуды колебаний (А ) 1К от скорости агрегата (V ) 16
£14 «•с
12 10 8 6 4 2 0
♦ х1
□ у1 ДУ2 Д
Жг1 Ж
■ ♦ ♦
0
1
V, м/с
Рис. 5. Зависимости частоты колебаний (/) 1К от скорости агрегата (V )
4
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 63
На рис. 6 и 7 представлены результаты испытаний усиленного упругого рыхлителя 2К при различных скоростях агрегата. Как видно из рисунка 6, при скорости 2,3 м/с амплитуда в продольном направлении Y2 возрастает от 4,5 мм до 6,1 мм, в то время как амплитуда колебаний стойки в поперечном направлении Х2 возрастает от 8,4 мм до 12,9 мм (с учетом поправочных коэффициентов Ку = 1,18, Кк = 1,44). Амплитуда колебаний носка рыхлителя в вертикальном направлении практически не зависит от скорости и остается в пределах 3,8...4,0 мм.
Анализ частот колебаний рыхлителя 2К показывает, что колебания в продольном направлении имеют три экстремальных
значения, которые видны на графике спектральной плотности колебаний рыхлителя (рис. 7, 8, 9), и их значения в среднем составляют 20...23 Гц, что соответствует требованиям оптимального режима работы рабочего органа.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с помощью пакета программ «Atlant».
Анализ исследований упругих рыхлителей показывает, что с увеличением жесткости рыхлителя 1К = 60 Н/см до 2К = 72 Н/см существенно изменяются амплитудно-частотные характеристики работы рыхлителя в трех направлениях.
Рыхлитель 1К имеет частоту колебаний Y = 10 Гц, Х = 5 Гц, Z = 7 Гц и соответст-
♦ Ах, мм Ax = 1,496Ln(V) + 7,12
Ay, мм R2 = 0,92
Az, мм
—- —----♦ ^ Ay = 0,697Ln(V) + 4,3 R2 = 0,63
■ _ _ » *
—*- Az = 0,439Ln(V) + 3,51
R2 = 0,88
14 12
10 м 8
:
I 6 :
4 2 0
0,5
1,5
2,5
3,5 4 V, м/с
Рис. 6. Зависимости амплитуды колебаний (A ) 2К от скорости агрегата (V ) 60
^ 50 А
40 -30 -20 -10 -
0
♦ x1
□ x2
ду1
ОУ2
ЖУ3 z1 ^ Ж ж п - ж
□ -Л— А • •
о— -*- _*
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Рис. 7. Зависимости частоты колебаний (f) 2К от скорости агрегата (V )
3,5 4 V, м/с
А, мкм
1 [.......1.......L.......[.......
: : : :
--------\.......\.......^.......\.......
....... ! !
;
: ! :
\
\ ; : :
.......:.......:....... ;
1......
\/ \j-v-, . . ...__:
20 40 60 30 100 120 ;
Рис. 8. Спектральная плотность колебаний Л=¥(/) 2К при скорости агрегата V=2,31 м/с в поперечном направлении (Х)
венно амплитуды колебаний - Ау = 11 мм, Ах = 20 мм, Аг = 8 мм.
Более жесткий рыхлитель 2К имеет высокие частоты колебания по трем осям координат: У = 23 Гц, Х= 12 Гц и Ъ = 10 Гц.
Таким образом, рыхлитель 2К, по отношению к рыхлителю 1К имеет большую способность к самоочищению от растительных остатков и может работать в более влажной почве. Меньшая амплитуда колебания в поперечном (Х) Ах = 12,9 мм и продольном (У) Ау = 6,1 мм направлениях не уменьшает крошащую способность рыхлителя, в то время как малые колебания в вертикальном направлении (Ъ) Аг = 4,0 мм создают более ровное семенное ложе во время культивации.
Кроме того, совместно с Поволжской машиноиспытательной станцией были проведены тяговые испытания культиватора с рабочими органами 2К, по результатам которых выявлено снижение энергозатрат на 7...8 % по сравнению с рабочими органами 1К.
Выводы. Для эффективной работы культиваторов с упругими Б-образными рабочими органами на черноземах тяжелосуглинистого механического состава при
А, мкм
о L_: у ---,--
О 50 100 150 200 1,ГЦ
Рис. 9. Спектральная плотность колебаний A=F(f) 2К при скорости агрегата V=2,31 м/с в продольном направлении (Y)
скоростях более 10 км/ч их необходимо укомплектовать упругими рыхлителями 2К (усиленными). Результаты расчета и испытаний показали, что упругий рыхлитель 2К позволяет снизить затраты энергии на 7...8 % по сравнению с 1К. Также малые амплитуды колебаний упругой стойки 2К в вертикальном направлении Az = 4,0 мм при частоте 8.10 Гц создают более ровную, но шероховатую поверхность, позволяющую сохранить доступ к капиллярной влаге и не допускающую образование плотной подошвы от рабочего органа.
Литература
1. Сорокин, Н. Т. Основные направления технической и технологической модернизации сельскохозяйственного производства в соответствии с задачами «Государственной программы развития сельского хозяйства на 2008-2012 годы» / Н. Т. Сорокин, М. В. Глушков // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2008. - № 6. -С. 4-6.
2. Мазитов, Н. К. Теория реактивных рабочих органов почвообрабатывающих машин / Н. К. Мазитов. - Казань: Изд-во «Фэн» Академии наук РТ, 2011. - 280 с.
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 65
3. Мазитов, Н. К. Блочно-модульный почвообрабатывающе-посевной комплекс / Н. К. Мазитов. - М.: Изд-во «Достижения науки и техники АПК», 2008. - 224с.
4. Алфеев, В. Р. Разработка технологии и навесного культиватора для предпосевной обработки почвы: автореф. дис... канд. техн. наук: 05.20.01 / В. Р. Алфеев. - Чебоксары, 2004. - 20 с.
5. Валиев, А. Р. Почвообработваща машина с вибрационно действие / А. Р. Валиев, Л. Ф. Сиразиев // Информационен бюлетин Научно технически съюз по машиностроене, серия «Селскостопанско машиностроене». - София. Офис за технологичен трансфер, ноември 2012. - С. 3-4.
6. Дмитриев, С. Ю. Разработка автоматического регулятора жесткости упругой стойки культиватора: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / С. Ю. Дмитриев. - Чебоксары, 2008.- 199 с.: ил.
7. Матяшин, Ю. И. Совершенствование бесприводных ротационных рабочих органов для поверхностной обработки почвы / Ю. И. Матяшин, Л. Ф. Сиразиев, К. В. Федулкина // Вестник Казанского ГАУ. - 2012. - № 1 (23). - С 93-97.
8. Патент № 117058 РФ, МПК 7 А 01 В 35/06. Почвообрабатывающее орудие / Ю. И. Матяшин, А. Р. Валиев, А. В. Матяшин и др. - Заявлено 15.07.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17.
9. Яхин, С. М. Расчет несущей способности консольных валов сельскохозяйственных машин с упругими опорами / С. М. Яхин, А. Р. Валиев // Вестник Казанского ГАУ. - 2012. -№ 3 (25). - С. 91-95.
10. Сахапов, Р. Л. Теоретические основы колебательных рабочих органов. под реда. Н. К. Мазитова. - Казань. КГФЭИ. - 2001. - 193 с.
11. Почвообрабатывающий и посевной комплекс для энерго-, ресурсосберегающего производства продукции растениеводства / Ю. Ф. Лачуга, Н. К. Мазитов, В. В. Бледных и др. -М.: ООО «Столичная типография», 2008. - 120 с.
12. Багманов, Р. С. Улучшение качества предпосевной обработки почвы и снижение энергозатрат путем обоснования параметров культиватора с упругими рабочими органами: автореф. дис ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Р. С. Багманов. - М., 2012. - 18 с.
13. Сиразиев, Л. Ф. Классификация колебаний и использование их в почвообрабатывающей технике / Л. Ф. Сиразиев, А. Р. Валиев // Вестник Курской ГСХА. - 2013.№ 2. -- С. 72-75.
14. Орешкин М. В. Подходы к решению задач саморегуляции биосистем при конструировании почвообрабатывающих орудий / М. В. Орешкин // Нива Поволжья. - 2010. № 2. - С. 66-70.
15. Соколов, Н. М. Результаты испытаний нового орудия для мелкой почвозащитной обработки почвы / Н. М. Соколов // Нива Поволжья. - 2010. № 4. - С. 56-60.
UDK 631.31
THE STUDY OF THE VIBRATE WORKING BODY OF THE CULTIVATOR
L.Z. Sharafiyev, candidate of technical sciences,senior researcher, e-mail: sharaf_len@mail.ru.;
A.R. Valiyev, candidate of technical sciences, assistant professor, e-mail: ayratvaliev@mail.ru;
R.S. Bagmanov, candidate of technical sciences; N.K. Mazitov, doctor of agriculturalsciences, professor, member-correspondent of Rus. Agricultural academy
SSU «Tatar scientific-research institute of agriculture» RAAS, CITY Kazan, Russia;
FSBEE HPT «Kazan state agrarian university», Russia
The article deals with the analysis of the influence of the vibrate working part on the tractive resistance of the unit. The results of the experimental research of the vibrate working parts (rippers) of the cultivator for pre-sowing soil treatment have been shown in the article. S-shaping rippers which enable to complete cultivators for cultivating soil of heavy-loamy mechanical composition have been tested. The elastic properties of rippers have been examined: rigidity, natural frequency of vibrations, the amplitude-frequency characteristics of the spectral density of fluctuations. As a result of laboratory-field tests the influence of unit velocity on the amplitude-frequency characteristics of the rippers with various rigidity has been stated. The process of vibration of the working part of the cultivator ripper has been tested in three directions (planes): in a cross (X)in the longitudinal (Y) and vertical (Z).
The optimal parameters of vibrations under various velocities in the process of heavy-loamy soil cultivation have been obtained. The geometric parameters of the ripper have been also obtained. It has been experimentally stated that rigid, elastic ripper enables to reduce energy costs on 7...8%.
Key words: vibrate working body, elastic ripper, pre-sowing treatment, amplitude-frequency, amplitude, spectral density of fluctuations.
References:
1. Sorokin N.T. The main directions of technical and technological modernization of agricultural production in accordance with the objectives of the «State program of agriculture development for 2008-2012» / N. T. Sorokin, M.V. Glushkov // Agricultural machinery and technologies. -2008. - № 6. - P. 4-6.
2. Mazitov, N.K. Theory of reactive working bodies of soil tilling machines / N. K. Мазитов. -Kazan: Publishing house "Fen" Academy of Sciences of RT, 2011. - 280 p.
3. Mazitov, N.K. Block-modular soil tilling and sowing complex / N. K. Mazitov. - M: Publishing house «Achievements of science and technology of AIC», 2008. - 224 p.
4. Alpheyev, V.R. Development of technology and mounted cultivator for pre-sowing soil cultivation: Abstract ... candidate of technical sciences: 05.20.01 / V.R. Alpheyev. - Cheboksary, 2004. -20 p.
5. Valiev, A.R. Soil tilling machine with oscillating action / A.R. Valiev, L.F. Siraziyev // Information Bulletin of the scientific-technical union on mechanical engineering, series «Agricultural machine-building». - Sofia. Office for technology transfer, November 2012. - P. 3-4.
6. Dmitriyev, S. Yu. Development of an automatic regulator of rigidness of the elastic tine of the cultivator: dis ... cand. tehn. sciences: 05.20.01 / S. Y. Dmitriyev. - Cheboksary, 2008.- 199 p. with illustrations.
7. Matyashin, Yu.I. Improvement of non-drive rotary working bodies for surface soil tillage / Yu.I. Matyashin, L.F. Siraziev, K.V. Fedulkina // Vestnik of Kazan SAU. - 2012. - № 1 (23). - P. 93-97.
8. Patent № 117058 of the Russian Federation, the IPC 7 A 01 b 35/06. Cultivating tool / Yu. I. Matyashin, A.R. Valiyev, A.V. Matyashin et al Applied, 15.07.2011; publ. 20.06.2012, bul. № 17.
9. Yakhin, S.M. The calculation of the bearing capacity of the cantilever shaft of agricultural machines with elastic supports / S.M Jachin, A. R. Valiev // Vestnik of Kazan SAU. - 2012. - № 3 (25). - P. 91-95.
10. Sakhapov, R.L. Theoretical foundations of oscillatory working bodies. under edition N.K. Mazitov. - Kazan. Institute of Economics and Finance. - 2001. - 193 p.
11. Soil tilling and sowing complex for energy and resources saving crop production / Yu.F. Lachuga, N.K. Mazitov, V.V. Blednykh et al - М.: ООО «Stolichnaya tipographiya», 2008. - 120 p.
12. Bagmanov, R.S. The quality improvement of pre-sowing soil treatment and reducing energy costs by means of substantiation of parameters of the cultivator with elastic working parts: abstract dis. ... candidate of technical sciences: 05.20.01 / R.S. Bagmanov. - M., 2012. - 18 p.
13. Siraziyev, L. F. Classification of fluctuations and their use in tillage technology / L. F. Siraziyev, A. R. Valiyev // Vestnik of Kursk state agricultural academy. - 2013. № 2. - P. 72-75.
14. Oreshkin M.V. Approaches to solving the problems of self-regulation of biological systems at designing soil processing tools / M.V. Oreshkin // Niva Povolzhya. - 2010. № 2. - P. 66-70.
15. Sokolov, N. M. The results of testing the new tools for fine soil-protecting treatment of soil / N. M. Sokolov // Niva Povolzhya. - 2010. № 4. - P. 56-60.
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 67
