К обоснованию траектории полета частицы почвы при сходе с ножа ротационного щелевателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.317

В.И. Горшенин, доктор техн. наук, профессор

А.В. Алехин, ассистент

ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

к обоснованию траектории полета частицы почвы при сходе с ножа ротационного щелевателя

Выпускаемые промышленностью ротационные почвообрабатывающие машины, как правило, имеют кожух, предназначенный не только для обеспечения безопасной работы, но и для улучшения измельчения почвы, распределения и заделки удобрений в обрабатываемом слое. По мнению С. Га-валец, почва распыляется от удара частиц о кожух, а не от воздействия рабочих органов. Д. Бини рекомендует при больших подачах на нож регулировать степень измельчения почвы соответствующей установкой кожуха барабана. Кожух обрабатывающих орудий существенно влияет и на затраты энергии при обработке почвы [1].

Для образования структуры почвы, т. е. разделения стружки (пласта) на заданные части, определена форма ножа щелевателя. Но при работе ще-левателя, с одной стороны, необходимо разместить полученную почву в щели, а с другой стороны, сохранить полученную структуру. Поэтому необходимо устанавливать отражающий кожух определенной формы на такой высоте, чтобы минимизировать воздействия на частицы почвы.

Для этого требуется изучить траекторию полета частицы почвы после схода ее с ножа щелевателя.

Из рис. 1 видно, что в вершине ножа радиус инерции наибольший, т. е. здесь возможна наиболь-

Рис. 1. Схема к расчету траектории полета частицы почвы

шая абсолютная скорость частицы почвы при отрыве от ножа, а следовательно, наивысшая траектория полета.

Допустим, что при положении ножа в точке С частица почвы отбрасывается в направлении касательной к трохоиде, т. е. по направлению абсолютной скорости V,,, с равной ей скоростью. Тогда уравнения полета частицы можно записать в следующем виде:

x = R cos а + vat cos у + vnt,

2

qI

y = R sin а + vat sin у ——,

(l)

где R — радиус инерции, м; а — угол положения ножа в момент отрыва частицы, град; у — угол между направлением полета частицы в момент отрыва ее от ножа и линией горизонта, град; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; £ — время поворота диска на угол а, с.

Для ротационных машин с горизонтальной и фронтальной осью вращения [1]

v = v

a с

і 1 2 1 + г- — cos а,

К К

(2)

где vо — окружная скорость диска; X — скоростной параметр, X = V / V при X > 1; V — поступательная ско-

оп

рость агрегата.

После подстановки полученного выражения для va в уравнения (1) и преобразований получим

dx

vx = — = Rro x dt

dy

l

----cos rot

К

vy = — = Rro sin rot;

y dt

v- =\/ VX + vy2 = voj-

l

К2

2cos rot 2 • 2

------------+ cos rot + sin rot.

К

После окончательных преобразований

= —Vl + К2 - 2К cos а. К

(З)

Из рис. 1 видно, что siny и cosy в уравнениях (1) можно выразить как отношения катетов и гипотенузы:

v

a

sin у =

cos у =

К sin а'

л/l + К2 - 2К cos а К cos а-1 л/l + К2 - 2К cos а

где а1 = а + ау (ау — угол установки ножа на диске рабочего органа, град).

Подставив полученные выражения для vn, va, siny и cosy в уравнения (1), после соответствующих преобразований получим:

x = R cos а + vot cos а';

gt2

y = R sin а + vot sin а' ——.

Из уравнений (4) для х и y находим t:

(x - R cos а)

t = ----------■ .

(4)

(5)

Подставляем (5) в уравнение (4) для у, после преобразований получаем уравнение траектории полета частицы почвы

, , g (x - R cos а)

y = R sin а + (x - R cos а) tg а------------------- —2------------2—

2vo cos а'

(б)

Для определения угла положения ножа в момент отрыва частицы вновь обратимся к схеме, изображенной на рис. 1. При вращении диска с угловой скоростью ю частица почвы, попавшая на нож, находится на ней в относительном покое до тех пор, пока все действующие на нее силы уравновешены. Пусть в некоторый момент времени нож с частицей находится в положении, когда частица начинает отрываться от ножа, определяемом углом начала отрыва а, отсчитываемым от горизонтального диаметра диска. На частицу почвы действуют сила тяжести Р = mg, сила трения ^ = N tgф (ф — угол трения), сила нормальной реакции N, сила инерции = mю2R ^ — радиус диска).

Проецируя все силы на систему координат х1-у1, связанную с диском, получаем систему уравнений:

mro

'R cos ay - mg sin (-а y)-N = 0;

(7)

mro2R sin ay - N tg ф- mg cos (-ay ) = 0.

Из первого уравнения системы (7) выражаем N: N = ma2R cos ay - mg sin(a - ay) и подставляем во второе уравнение:

mra2R sin ay - (mra2R cos ay -

- mg sin(a - ay))tg ф - mg cos(a - ay) = 0. (8)

После преобразований получаем ra2R(sin ay - cos ay tg ф) + g[sin(a - ay) tg ф -

- cos(a - ay)] = 0,

отсюда

[sin(a - ay) sin ф - cos(a - ay) cos ф] =

ro2 R

g

(cos ay sin ф - sin ay cos ф).

В результате окончательных преобразований получаем выражение для определения угла положения ножа в момент отрыва от него частицы

ro2R

a = ay - ф + arccos------------[sin(ay - ф) -

y g y

- sin(ф - ay)],

(9)

где — угол установки ножа на диске рабочего органа, град.

Согласно полученным выражениям (б) и (9) для описания траектории полета частиц почвы после отрыва от ножа, на нее оказывают влияние окружная скорость движения диска vо и угол установки ножа на диске ay. В связи со сложностью указанных выражений и необходимостью оптимизации данных показателей проведено математическое моделирование полета частицы почвы с помощью пакета прикладных программ «MathCad 2000 Professional».

По математической модели построены зависимости высоты полета частиц почвы от угла установки ножа ау и окружной скорости диска vo при следующих постоянных параметрах: радиус диска R = 0,45 м (определен из условия обеспечения ще-левания почвы на заданную глубину), угол трения почвы по стали ф = 35° [2]. Диапазон переменных показателей выбирался исходя из реально возможных конструкций щелевателя.

Графики зависимости представлены на рис. 2.

Анализ зависимости для ay показал, что при увеличении угла установки ножа на диске с 20 до 30° увеличивается высота подъема частиц почвы. Это происходит вследствие того, что частица находится на ноже в неподвижном состоянии более длительное время, а также увеличивается угол у между направлением полета частицы в момент отрыва ее от ножа и линией горизонта.

С повышением окружной скорости диска от 3 ,б до б,3 м/с также увеличивается высота полета частицы вследствие возрастания силы нормальной реакции ножа диска, воздействующей на частицу почвы.

При проектировании отражающего кожуха необходимо стремиться к снижению металлоемкости конструкции щелевателя, а следовательно, к снижению его габаритных размеров. Это возможно при допустимо малой высоте подъема частиц, поэтому

vo cos а

Окружная скорость диска vo 3,6 3,825 4,05 4,275 4,5 4,725 4,95 5,175 5,4 5,625 5,85 6,075 6,3

1,6

^ 1,4

3

к 1,2

а

^ 1

а

■I 0,8

о

5 0,6

§ 0,4

л

СО

0,2

— а У ..-А

♦— / V о

Рис.

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Угол установки ау

2. Зависимость высоты полета частиц почвы от угла установки ножа ау и окружной скорости диска го

0

Длина основания параболы х, м

Рис. 3. Параметры параболы для изготовления отражающего кожуха

оптимальными значениями будут ау = 20° и vo = 4,5 м/с.

С использованием полученных данных построена парабола для изготовления отражающего кожуха, представленная на рис. 3.

Для выяснения процессов, происходящих в почве при ее обработке ротационным щелевате-лем, и оценки влияния его конструктивных и кинематических параметров на траекторию полета частицы были проведены экспериментальные исследования. Исследования проводились в почвенном канале при влажности 16...18 %, твердости 32 кг/см2. Влажность определяли методом сушки, а твердость при помощи твердомера имени Ревякина. Высоту полета частиц определяли с помощью отражающего экрана и видеокамеры.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические предпосылки.

Список литературы

1. Матяшин, Ю.И. Расчет и проектирование ротационных и почвообрабатывающих машин / Ю.И. Матяшин, И.М. Гринчук, Г.М. Егоров. — М.: Агропромиздат, 1988. — 174 с.

2. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. — М.: Машиностроение, 1977. — 328 с.

УДК 631.22.01

Е.Е. Хазанов, доктор техн. наук, профессор В.В. Гордеев, канд. техн. наук, доцент В.Е. Хазанов, зав. сектором

ГНУ «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства»

метод систематизации технологий содержания и обслуживания крупного рогатого скота

В отличие от промышленных предприятий, на молочных фермах основным средством производства являются живые существа. В связи с этим технология производства молока включает в себя как важнейшие составные части технологию содержания животных и технологию их обслуживания.

Технологии содержания животных базируются на трех основных элементах: способе, системе и методе содержания, каждый из которых может быть реализован в различных вариантах [1]. Технологии

46

обслуживания скота также включают три основных элемента: принцип, способ и метод обслуживания животных, каждый из которых тоже имеет несколько вариантов реализации.

Выбор каждого из элементов и их сочетаний зависит от размеров и специализации фермы, уровня продуктивности и фазы биологического цикла животных, обеспеченности пастбищами, кормами, подстилкой, квалифицированными кадрами, от планируемого уровня производительности труда и целого ряда других условий.

Задача заключается в том, чтобы сформировать из этих элементов такие технологии содержания и обслуживания, которые в наибольшей степени соответствуют физиологическим потребностям животных на каждой из фаз их биологического цикла и обеспечивают условия для повышения производительности труда, экологической безопасности производства и снижения себестоимости продукции. Задача эта представляется весьма сложной, так как число возможных сочетаний элементов достаточно велико, взаимосвязи между элементами пока не формализованы, а сами эти элементы в большинстве случаев не имеют количественных характеристик.

Для того чтобы облегчить решение этой задачи и систематизировать возможные сочетания

элементов и сами технологии, введены условные обозначения для каждого из элементов технологий и каждого из вариантов их реализации (табл. 1) [2].

Варианты реализации каждого из элементов обозначены буквенными и цифровыми индексами. Шифр той или иной технологии содержания состоит из цифры 1 с заглавной буквой, обозначающей способ содержания, цифры 2 с индексами, обозначающими вариант системы содержания скота, и цифры 3 с индексами, обозначающими варианты метода содержания животных.

Важнейшим элементом технологии содержания является способ содержания — элемент № 1. В приведенной таблице привязный способ содержа-

Таблица 1

Условные обозначения элементов технологий содержания и обслуживания крупного рогатого скота

Элементы технологий Шифр техноло- гий Варианты реализации Шифр

№ п/п Наименование Ин- декс Наименование Шифр Ин- декс Наименование

Технология содержания

1 Способ содержания: 1А

- привязный

- комбинированный 1Б 1 Комбибокс с фик- 1Б1 1Б1

сацией

2 На автопривязи 1Б2 1Б2

- беспривязный 1В 1 Боксовый 1В1 1В1

2 Комбибоксовый 1В2 1В2

3 Безбоксовый 1В3 а С горизонтальным полом 1В3а

б С наклонным полом 1В3б

в С заглубленным логовом 1В3в

г С щелевым полом 1В3г

2 Система содержания: 2а 1 С лагерем 2а1 2а1

- стойлово-пастбищная

2 Без лагеря 2а2 2а2

- стойлово-выгульная 2б 2б

- стойловая 2в 2в

3 Метод содержания:

- подстилочный 3а 1 «Косметическая» 3а1 3а1

(подстилка)

2 Обильная 3а2 3а2

3 Глубокая 3а3 3а3

- бесподстилочный 3б 1 На матах 3б1 3б1

Технология обслуживания

Принцип обслуживания Способ обслуживания Метод обслуживания

4 Кормление: 7 Кормление: 10 Кормление:

- индивидуальный 4а - в стойлах 7а - официантский 10а

- индивидуально-групповой 4б - на постах 7б - самообслуживание 10б

- групповой 4в

5 Поение: 8 Поение: 11 Поение:

- индивидуальный 5а - в стойлах 8а - официантский 11а

- групповой 5б - на постах 8б - самообслуживание 11б

6 Доение: 9 Доение: 12 Доение:

- индивидуальный 6а - в стойлах 9а - официантский 12а

- индивидуально-групповой 6б - на постах 9б - самообслуживание 12б

Таблица 2

Матрица возможных технологий содержания и обслуживания коров в цехе лактации (для условий Северо-Запада России)

Технологии содержания Технологии обслуживания

Способ Система Метод Принцип Способ Метод

2а1 2а2 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 7а 8а 9а 10а 11б 12а

1А 2б 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 7а 8а 9а 10а 11б 12а

2в 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 7а 8а 9а 10а 11б 12а

2а1 2а2 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 7а 8а 9б 10а 11б 12а

1Б1 2б 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 6б 7а 8а 9б 10а 11б 12а

2в 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 6б 7а 8а 9б 10б 11б 12а

2а1 2а2 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 7а 8а 9б 10а 11б 12а

1Б2 2б 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 6б 7а 8а 9б 10а 11б 12а

2в 3а1 3а2 4а 4б 4в 5а 6а 6б 7а 8а 9б 10б 11б 12а

2а1 2а2 3а1, 3а2, 3б1 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

1В1 2б ^ ГX 333 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2в 3а1, 3а2, 3б1 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2а1 2а2 3а1, 3а2, 3б1 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

1В2 2б 3а1, 3а2, 3б1 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2в 3а1, 3а2, 3б1 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2а1 2а2 3а2 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

1В3а 2б 3а2 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2в 3а2 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2а1 2а2 3а3 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

1В3в 2б 3а3 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

2в 3а3 4б 4в 5б 6а 6б 7б 8б 9б 10б 11б 12а 12б

ния обозначен 1А, комбинированный — 1Б, а беспривязный способ — 1В.

Технология содержания, предусматривающая беспривязный безбоксовый способ содержания скота в секциях с горизонтальным полом при использовании стойлово-пастбищной системы содержания с летним лагерем и подстилочного метода содержания на обильной подстилке имеет шифр 1В-3а-2а1-3а2.

Технологии обслуживания животных на каждом из процессов (кормление, поение, доение) обозначены соответствующей цифрой, а варианты реализации технологии — буквенными индексами. Например, если кормление скота основано на групповом принципе, осуществляется на специализированных постах методом самообслуживания, то такая технология кормления имеет шифр 4в-7б-10б. Аналогично, если доение коров производят по индивидуальному принципу, не на постах обслуживания, а в стойлах на привязи официантским методом, то такая технология доения имеет шифр 6а-9а-12а.

С помощью указанных условных обозначений сформированы матрицы возможных технологий содержания и обслуживания крупного рогатого скота во всех цехах молочной фермы. В качестве примера в табл. 2 приведена матрица технологий содержания и обслуживания коров в цехе лактации для условий Северо-Западной зоны России. В столбцах матрицы указываются элементы технологий содержания и обслуживания скота, а в строках — все варианты реализации каждого из элементов. При этом шифр каждой из технологий складывается из условных обозначений элементов, следующих друг за другом в определенной последовательности. Сначала указываются обозначения элементов технологий содержания, а затем — обозначения элементов технологий обслуживания животных на каждом из процессов.

В матрицу не включены технологии с использованием пастбищной системы содержания, так как на Северо-Западе эта система не применима в силу климатических условий. В регионах, где эта система возможна, ее следует включать в матрицу. Стойлово-выгульная система содержания коров приведена в матрице только в одном из трех возможных вариантов реализации — с кормо-вы-гульными дворами.В матрицу также не включены технологии с привязным и комбинированным способами содержания коров без подстилки и технологии содержания в секциях без боксов с наклонным и щелевым полом, поскольку применение этих технологий для лактирующих коров нецелесообразно.

Данная матрица включает 24 технологии с привязным способом содержания — технологии А, и 48 технологий с комбинированным способом содержания — технологии Б. Наибольшее число технологий основано на беспривязном способе содержания скота — технологии В. При этом на беспривязно-боксовом и комбибоксовом способах содержания основано по 96 технологий и по 32 — на двух вариантах реализации беспривязного без-

боксового способа содержания. Всего матрица содержит 328 технологий.

Таким образом, предложенный метод систематизации состоит в том, что каждый из элементов технологий содержания и обслуживания животных и возможные варианты их реализации обозначаются соответствующими цифровыми и буквенными индексами. Затем с использованием введенных обозначений формируется матрица возможных технологий.

Матрица дает наглядное представление о возможных сочетаниях элементов, составе и количестве формируемых из них технологий. В кодированном виде матрица удобна для анализа и синтеза технологий с помощью компьютера. Для выполнения этой работы в диалоговом режиме с участием заказчика или эксперта-технолога удобнее пользоваться матрицей в декодированном виде.

Список литературы

1. Хазанов, Е.Е. Рекомендации по модернизации и техническому перевооружению молочных ферм / Е.Е. Хазанов [и др.]. — М.: ФГНУ Росинформагротех, 2007. — 128 с.

2. Хазанов, Е.Е. Модернизация молочных ферм / Е.Е. Хазанов, В.В. Гордеев, В.Е. Хазанов. — СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2008. — 380 с.

УДК 631.372.621.43.001.5

В.П. Антипин, канд. техн. наук, доцент Е.Н. Власов, канд. техн. наук, доцент

A.Я. Перельман, доктор физ.-матем. наук, профессор

B.Н. Куликов, канд. физ.-матем. наук, доцент Г.В. Каршев, канд. техн. наук, доцент

Л.А. Маслова, студентка

ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова»

проблема оптимизации энергозатрат машинно-тракторного агрегата на пахоте

В исследованиях, посвященных эффективному использованию машинно-тракторных агрегатов (МТА) на пахоте, академик В.Н. Болтинский писал: «Как при проектировании тракторов и тракторных двигателей, так и при эксплуатации их мы обязаны использовать все возможности для повышения экономичности работы» [1]. В этом плане рассмотрим влияние ширины захвата плугом и скорости движения МТА на производительность и расход топлива для тракторов различного класса тяги.

С учетом формулы В.П. Горячкина [2] выражение для расхода топлива на пахоте может быть представлено в форме

где

В = стпу + Б1Ьу + В2 Ъv3;

с = В т + В т ,

т,п 1т т 1п и’

(1)

(2)

В1т -

Віп -

В -

3,6

Пе Ни

3.6 ^

ПеН,

3.6

В2 -

Пе Ни

3,6

ПеНи

-^іп а + /ткcos а), -фп а + /Тс), аКп,

■аЬ.

(3)

Здесь V — скорость движения МТА, м/с; Ъ — ширина захвата плуга, м; тт и тп — массы трактора и плуга соответственно, кг; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; пе — эффективный кпд двигателя; Ни — низшая теплотворная способность