Компьютерное моделирование деформированного состояния «Почвы» в системе MSC. Patran Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

лением по 14 диагностическим параметрам: определение температуры в контрольных точках; проверка по шуму и стукам; проверка подачи нагнетательной секции насоса КП; проверка подачи подкачивающей секции насоса КП; контроль давления срабатывания предохранительного клапана КП и перепускного клапана подкачивающей секции насоса КП; контроль засоренности масляного фильтра КП по перепаду давления; давление срабатывания редукционного и перепускного клапанов масляного фильтра КП; проверка техсостояния золотника переключения передач бустера фрикционов КП по падению давления, гидро-аккмулятора по поддерживаемому давлению и состояния золотника герметичности синхронизатора по давлению при нажатой педали; контроль подачи насоса КП и насоса КП каждой секции.

По результатам исследований разработана «Технология диагностирования гидромеханических КП сельскохозяйственных тракторов».

Установлено также, что с помощью разработанного прибора КИ-28210, посравнению сДР-70, можно измерять давления открытия клапанов с повы-

шенной подачей и малым давлением — до 1 кгс/см2. Это достигается благодаря увеличению проходного сечения и изменению формы диафрагмы.

Использование разработанной технологии и модуля при диагностировании позволит расширить число параметров, контролируемых с малыми затратами труда, а также обеспечить более объективное и точное определение технического состояния механических коробок передач с гидравлическим управлением.

Разработка превосходит уровень лучших отечественных аналогов (приборы КИ-24038; КИ-6285; комплект средств КИ-28084М) по следующим показателям: универсальность (возможность диагностирования КП всех марок сельскохозяйственных тракторов); экологическая безопасность; повышение в 2-2,5 раза достоверности и оперативности выявления неисправностей при эксплуатации тракторов.

Расчетный годовой экономический эффект от использования одного комплекта технологии и модуля средств диагностирования составит около 58 тыс. руб. (при стоимости модуля — около 30 тыс. руб.).

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ «ПОЧВЫ» В СИСТЕМЕ М8С.РАТ11АК

К. II. ГРАБОРОВ, аспирант

В.А. ЖИЛКИН, доктор технических наук

Челябинский ГАУ

Энергоемкость обработки почвы определяется процессами, происходящими при разрушении пласта рабочим органом сельскохозяйственной машины. Однако до сих пор нет их точного аналитического описания. Это обусловлено, прежде всего, сложностью решения нелинейной пространственной задачи земледельческой механики, а также отсутствием достаточно простой и достоверной модели почвы. Существующий анализ взаимодействия рабочих органов сельскохозяйственных машин с почвой главным образом базируется на экспериментальных данных. Поскольку в основу большинства почвообрабатывающих орудий положен трехгранный либо двугранный клин, то в исследованиях в качестве рабочих органов часто использовали плоские двугранные клинья, для которых определяли тяговое сопротивление клина и его зависимость от параметров почвы и клина, а также распределение напряжений в почвенном пласте и по поверхности клина [1]. Поэтому создание математической модели взаимодействия рабочих органов сельскохозяйственных машин с почвой — чрезвычайно актуальная задача.

Так как на сегодняшний день нет достоверных диаграмм деформирования почвы, то этим термином

здесь обозначается некоторая однородная упругопластическая среда, подчиняющаяся физическому закону, представленному диаграммой о—е (нормальное напряжение — относительная продольная деформация), приведенной на рис. 1, где пунктирная линия — это экспериментальная кривая, полученная в ходе испытаний на одноосное сжатие образца из суглинка при постоянной скорости перемещения одного из его торцов [2] (весовая влажность 10 %), а жирная сплошная линия — диаграмма деформирования принятая в представленной работе.

Как показали исследования даже при скорости деформирования 2,3 • 103 с-1 сопротивление суглинка сдвигу можно охарактеризовать уравнением Мора-Кулона: г = с + о • 1%<р[Ъ], где г — напряжение сдвига; с — сила сцепления, приходящаяся на единицу площади; а — нормальное напряжение на площадке разрушения; <р — угол внутреннего трения.

МБС.Ра1гап допускает задание возрастающей многозвенной кривой деформирования при условии, что первый участок ломаной линии соответствует линейному упругому деформированию материала. Для принятого в работе материала упругий модуль Е = 16 МПа, последующие тангенциальные модули: Е} = 8,707 МПа, Е2 = 4,135 МПа, Е3 = 1,079 МПа, что соответствует темно-каштановым остаточно-солонцеватым легкосуглинистым почвам [4].

Было принято, что абсолютно жесткий клин с углом при вершине 30°, двигаясь на глубине 20 см от

Главные напряжения п *.' <

1

0,29

обработки. По внешнему виду совпадение линий разрушения почвы (точки на кривой), полученных в результате расчета и согласно экспериментальным исследованиям, выполненным Г.Н. Синеоковым (рис.2, г) [1], удовлетворительное.

Алгоритм построения линии разрушения «почвы» основан на том факте, что критерий Мора-Кулона можно переписать через главные напряжения а 1 и а} в виде

а,=

_а } (зіпв СОВ в + в) +с

зіпв СОЗ в —^(р со$ в

(1)

поверхности пластины «почвы» внедрился в неё на 1 см в направлении горизонтальной оси х. Толщина пластины 5 см, а её размеры в плане выбраны так, чтобы границы области не влияли на напряженное состояние в месте взаимодействия с клином. Это позволило задать следующие граничные условия: контур пластины, находящийся в почве, был жестко защемлен, ее поверхность свободна от нагрузки, а по линии взаимодействия клина и «почвы» задавались перемещения в направлении осей х (и = 1 мм) и у (V = 5[гф мм, где Р — угол наклона касательной к линии контакта клина и «почвы»).

При задании в конечно-элементной системе М5'С.Ра!гап нелинейных свойств «почвы» была принята модель нелинейности Е1а$1ор1а$Ис и критерий пластичности Moh.r-Cou.lomb.

Из рис. 2, а следует, что за рабочим органом в «почве» появляется зона растягивающих напряжений и, как следствие, на этом участке поверхности могут наблюдаться макроразрушения в виде эллипсоидальных лунок. Вдоль линии разрушения происходит уплотнение «почвы» (рис.2, б и в). Толщина наиболее уплотненного слоя составляет порядка 0,06 глубины

где в — ориентация площадки, по которой происходит разрушение.

Зная аг о3, с и <р, из уравнения (1) определяется угол в, что легко сделать в системе МаСИСАВ.

В текущем окне просмотра MSC.Palra.ri отображают элементы и узлы конечно-элементной сетки, примыкающие к острию клина. Так как постпроцессор МБС.РаШп позволяет получать информацию о компонентах векторных и тензорных величин в любом их сочетании, то в окно просмотра выводят сведения о величинах и ориентации вектора напряжения а 1 и его проекций о ь и о1у на оси глобальной системы координат в узлах конечно-элементной сетки. Затем по формуле

а = агсс<№

$

1х I)

(2)

-0.29- <1-

0,013

*0,025

Налпячсения Треска л -л >.''1

Рис. 2. Результаты решения задачи: изополя главных напряжений аг(а), а3(б) и критерия пла стичности Треска (в) в сопоставлении с результатами экспериментальных исследований (г).

определяют угол а, который составляет главная площадка с напряжением о 1 с осью х.

В пределах рассматриваемого элемента след линии его разрушения составляет угол (а + в) с осью х, поэтому из вершины клина под углом в к главной площадке проводят линию до границ элемента. Для следующего элемента всю процедуру вычислений повторяют. Результаты расчета позволяют находить суммарную силу сопротивления, приложенную к наклонной грани клина.

М8С. Ра/гаи дает возможность вырезать из конечноэлементной модели произвольный фрагмент конструкции , к узлам которого он прикладывает действующие внутренние силовые факторы. Если выбрать фрагмент «почвы» примыкающий к клину, то можно получить информацию об усилиях взаимодействия клина и «почвы». Сумма узловых усилий, ориентированных в направлении перемещения клина, взятых с обратным знаком, определит искомую силу сопротивления. Полученные значения можно вывести в текущее окно просмотра, либо в файл.

Главные напряжения с г., МПа

■В

Увлажненный суглинок (Синеокое)

Рис. 3. Эпюра распределения горизонтальных усилий. Данные о координатах узлов, лежащих на наклонной грани клина, и усилиях в этих узлах, полученные в МБС.РШгап, переносят в Ma.th.CAD и по этой информации численного эксперимента строят сплайн. В результате получают эп юру распределения горизонтальных усилий приложенных к клину. Ее вид дня результатов расчета, соответствующих решению задачи с ранне упомянутыми граничными условиями, приведен на рис. 3 (кривая «клин»). Для спроектированного нами рыхлительного рабочего органа культиватора КЛДН-6 рабочая поверхность описывается функцией, состоящей из линейного участка и дуги окружности:

у(х) = кх при—11сояр0<х^О

_ 9

у(х) = ^112 -х2 -Ь при -Я<х< -Я соз<р0

где <р0 = аШапЦ^ф) — угловой размер дуги окружности при которой прямолинейная часть профиля рабочего органа переходит в окружность,^ — угол при носке клина; Я — радиус окружности; X — ордината центра окружность криволинейной части профиля рыхлителя. Полученная по изложенной методике эпюра давления «Рыхлитель» на криволинейный рабочий орган не противоречит экспериментальным данным [6]. Равнодействующая горизонтальных усилий приложена на расстоянии 0,179 от подошвы клина (в справочной литературе рекомендуется прикладывать его на расстоянии 0,2 от глубины пахоты [7]) и равна 870 кН. На метр ширины захвата получаем 7,25 кН/м, что незначительно превышает нормативную нагрузку для основной обработки рыхлительным рабочим органом на такой глубине (согласно [7] эта величина должна быть равна 5,4 кН/м). Скорее всего, это несоответствие обусловлено различием механических характеристик материала модели и почвы.

Анализ результатов приведенных в работе позволяет сделать вывод о том, что моделирование деформированного состояния почвы в системе МБС.Ра1гап дает возможность получить как качественную, так и количественную характеристику процессов взаимодействия рабочих органов сельскохозяйственных машин с почвой.

Литература.

1. Синеокое Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1965. — 311 с.

2. Ляшенко П.А. Модель деформации микроструктуры грунта. Научный электронный журнал КубГАУ, № 03(11), 2005.- стр.1-17.

3. Бойков В.П., Белковский В.Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. — М.: Агропромиздат, 1988. — 240 с.

4. Брагов А.М., Ломунов А.К., Деменко П.В. Исследование физико-механических характеристик свойств мягких грунтов при ударе. Труды VI Забабахинских научных чтений. Снежинск, 2003.-стр. 1-21.

5. Кулен А., Куиперс. X. Современная земледельческая механика. М.: Агропромиздат, 1986. — 349 с.

6. Вопросы сельскохозяйственной механики /Под ред. Мацепуро М.Е. Т.ХУ1. Минск: Урожай, 1967. — 356 с.

7. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин /Подред. М.И. Клецкина. Т. 1. Изд. 2 — е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1967. — 830 с.

ПОЧВОЗАЩИТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЛЕКС МАШИН ДЛЯ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В ЗОНЕ АРМАВИРСКОГО ВЕТРОВОГО КОРИДОРА

АЛО. ИЗМАЙЛОВ, кандидат экономических наук А.П. СПИРИН, доктор сельскохозяйственных наук А. Ф. ЖУК, кандидат технических наук наук О.А. СИЗОВ, кандидат технических наук ВИМ

А. С. ИЗВЕКОВ, доктор сельскохозяйственных наук Почвенный институт им. В.В. Докучаева

В Российской Федерации значительные площади пахотных земель в южных степных районах подвержены ветровой эрозии. Наиболее сильно она проявляется на Северном Кавказе.

В 60-70-е гг. прошлого века ветровая эрозия

здесь приняла угрожающие масштабы. Регулярно повторяющиеся катастрофические пыльные бури наносили огромный урон сельскому хозяйству и грозили экологической катастрофой для региона и невосполнимой утратой высокоплодородных предкавказских черноземов на площади 16 млн га. Чаще всего они наблюдались в так называемых «ветровых коридорах», которые характеризуются ураганными ветрами с наибольшей интенсивностью и продолжительностью действия. Самый активный из них — Армавирский ветровой коридор, образуемый склонами Ставропольской возвышенности и отрогами Кавказского хребта. Катастрофические пыльные бури уничтожили здесь в 1969 г. по-