Конструкция энергосберегающего рабочего органа почвообрабатывающей машины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Оптимизация конструктивных параметров подающего устройства воздушно-решётной зерноочистительной машины МВУ-1500 // Масличные культуры. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. 2012. № 1 (150). С. 106-109.

2. Припоров И.Е. Обоснование применения оптического фотоэлектронного сепаратора в составе универсального се-мяочистительного комплекса // Конкурентная способность отечественных гибридов, сортов и технологии возделывания масличных культур: сб. матер. 8-й междунар. конф. молодых учёных и специалистов. Краснодар, 2015. С. 138-141.

3. Припоров И.Е. Параметры усовершенствованного процесса разделения компонентов вороха семян крупноплодного подсолнечника в воздушно-решетных зерноочистительных машинах: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Кубанский государственный аграрный университет. Краснодар, 2012.

4. Шафоростов В.Д., Припоров И.Е. Технология послеуборочной обработки семян сои с использованием машин

отечественного производства // Зернобобовые и крупяные культуры. 2014. № 4 (12). С. 119-122.

5. Припоров Е.В., Картохин С.Н. Центробежный аппарат с подачей материала вдоль лопаток // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 112. С. 1499-1511.

6. Центробежный рабочий орган для рассева сыпучего материала. Пат. на изобретение RUS № 2177217 / Ю.И. Якимов, Е.В. Припоров, В.П. Иванов, В.П. Заярский, Г.И. Волков, О.Б. Селивановский; заявл. 14.03.2000.

7. Припоров Е.В. Повышение продольной устойчивости навесных агрегатов // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 115-119.

8. Припоров Е.В. Определение энергосберегающего режима работы тягового агрегата // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 92-95.

9. Припоров Е.В., Левченко Д.С. Анализ сошников сеялок ресурсосберегающих технологий посева зерновых культур // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 109. С. 379-391.

Конструкция энергосберегающего рабочего органа почвообрабатывающей машины

С.Н. Кокошин, к.т.н, СМ Созонов, аспирант, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

Первостепенную роль в производстве зерновых колосовых играет обработка почвы. Нами рассмотрены вопросы совершенствования применяемых способов обработки почвы, направленных на повышение её качества, ключевым образом влияющего на урожайность сельскохозяйственных культур и на снижение всех видов затрат: энергетических, трудовых, денежных [1].

В процессе многочисленных исследований существующих конструкций культиваторных лап и принципов их взаимодействия с почвой были выявлены некоторые недостатки. А именно: практически все они являются развитием трёхгранного клина и не имеют подвижных поверхностей, что приводит к повышенному тяговому сопротивлению и не способствует качественному крошению почвы с одновременным подрезанием сорняков [2, 3]. При их использовании разрушение почвы преимущественно происходит за счёт деформации сжатия, а не за счёт деформации растяжения, которая в разы менее энергозатратна [4]. Культиваторы же с принудительным вращением (или другим типом движения) рабочего органа сложны в изготовлении и требуют значительных затрат энергии при эксплуатации, что в промышленных масштабах оказывается экономически нецелесообразным.

С целью устранения вышеперечисленных недостатков нами разработана концепция комбинированного рабочего органа с двумя пассивно вращающимися дисками, позволяющими снизить энергоёмкость процесса с одновременным повышением качества работы. Для дальнейшего описания принципа действия комбинированного рабочего органа была составлена принципиальная схема, описывающая влияние пассивного вращения на

силы трения при его движении в пласте почвы. Рассмотрены два частных случая взаимодействия поверхности дисков-рыхлителей с почвой при их пассивном вращении и в случае, когда диски жёстко закреплены и не имеют возможности свободно вращаться. Показано то, как пассивное вращение влияет на среднюю разность скоростей между поверхностью вращающегося диска и почвой по всей площади контакта.

Цель исследования — оптимизация параметров и комбинирования рабочих органов почвообрабатывающей машины с целью снижения энергозатрат и повышения качественных показателей при поверхностной обработке почвы.

Материал и методы исследования. При возделывании сельскохозяйственных культур себестоимость конечной продукции складывается из затрат на все технологические операции. Наиболее энергозатратной и дорогостоящей операцией является обработка почвы и посев, причём данные операции должны полностью удовлетворять агротехническим требованиям для получения высокого урожая [5].

Для предпосевной обработки почвы в основном используют культиваторы, так как они не только крошат почву, но и подрезают корни сорных растений [4]. При работе культиваторной лапы почва разрушается, в основном происходит деформация сжатия или сдвига, что является энергозатратными процессами [6]. Энергоёмкость процесса имеет прямую зависимость с тяговым усилием агрегата. Для анализа составляющих тягового усилия воспользуемся формулой В.П. Горячкина [7]:

Р = /■ О + к ■ а■ 6 + е- а ■ 6 ■V2, (1)

где Р — сила тяги плуга, Н;

/ — коэффициент трения почвы по стали; О — вес машины, Н; а — глубина вспашки, м;

Ь — ширина захвата, м;

Уп — скорость движения почвы по рабочему органу, м/с;

к и е — коэффициенты.

Формула В.П. Горячкина правильно расчленяет тяговое усилие рабочего органа на 3 части: трение в борозде; затраты на отрезание и деформацию пласта; создание живой силы массы пласта при его движении по рабочей поверхности и отбрасывании в борозду (живая сила — половина произведения массы на квадрат скорости; кинетическая энергия тела).

Проведём анализ первой части формулы 1: так как поверхность культиваторной лапы является неподвижной, то скорость движения пласта почвы по поверхности лапы равна по модулю скорости движения агрегата и имеет противоположное направление. Увеличение скорости движения увеличивает значение коэффициента трения почвы по стали /. На основании данной зависимости мы сформулировали научную гипотезу: конструкция рабочего органа культиватора, позволяющая уменьшить скорость движения почвы по рабочей поверхности без снижения скорости движения агрегата, уменьшит тяговое сопротивление и расход топлива. Данного эффекта можно добиться путём применения вращающихся элементов в конструкции рабочего органа.

На рисунке 1 показан общий вид предлагаемого рабочего органа.

Рабочий орган выполнен в виде неразборной цельнометаллической стойки с двумя ответвлениями, в корпусе которых сконструированы узлы крепления дисков-рыхлителей. На стойке в передней части по направлению движения закреплён съёмный направляющий рыхлитель, который прикрывает часть каждого диска-рыхлителя от непосредственного взаимодействия с пластом почвы при движении.

На рисунке 2 условно показан общий вид культиватора в агрегате с трактором. Установка

рабочих органов производится в 2 ряда с перекрытием до 5 см.

Принцип действия комбинированного рабочего органа заключается в следующем: при обработке почвы рабочий орган заглубляется на необходимую глубину. Непосредственно взаимодействует с почвой направляющий рыхлитель 2 и та часть дисков 3, которая не прикрыта рыхлителем. При движении рабочего органа в почве из-за разности величин сил реакции почвы, действующих на левую и правую части каждого диска-рыхлителя (относительно их осей симметрии, направленных по ходу движения), возникает вращающий момент. Также ввиду того, что диски-рыхлители вращаются в разные стороны, часть пласта почвы, находящаяся в передней части рабочего органа, разрушается за счёт деформации растяжения. Предел прочности почвы на растяжение меньше предела прочности почвы на сдвиг или смятие, поэтому энергоёмкость процесса снижается [6, 8]. На рисунке 3 изображены схемы пассивно вращающегося (а) и невращающегося (б) дисков. Схемы демонстрируют разницу скоростей между поверхностью диска и почвой для обоих случаев.

В случае пассивного вращения диска (рис. 3а) скорость движения пласта почвы по его поверхности уменьшается по оси Х от центра диска к его краю. В случае же, когда диск не вращается (рис. 3б), скорость движения пласта почвы по его поверхности в любой точке равна скорости поступательного движения всего рабочего органа.

Результаты исследования. Сравним работу от сил трения при двух режимах движения диска в пласте почвы:

1) диск движется поступательно и не вращается;

2) диск движется поступательно, пассивно вращаясь вокруг свой оси.

Исходные данные (приняты условно, так как в процентном соотношении не окажут влияния на итоговый результат):

— радиус диска г = 0,5Б = 0,5 м;

Рис. 1 - Схема рабочего органа с пассивно вращающимися дисками:

1 - стойка с ответвлениями; 2 - направляющий рыхлитель; 3 - диск-рыхлитель; 4 - узел крепления диска в корпусе ответвления стойки

Рис. 2 - Почвообрабатывающий агрегат

Центр тяжести полукруга (рис. 4):

70= 0,4244 х г =0,4244 х 0,5 м = 0,2122 м. (3) Предположим, что скорость края диска равна скорости поступательного движения диска (в действительности же его линейная скорость будет ниже, для уточнения расчётов после экспериментальных исследований будет введён поправочный понижающий коэффициент ц), тогда при условии, что диаметр диска Б = 1 м (принимаем условно), диск делает за 3,14 м пути один оборот вокруг своей оси ф = 2л.

Найдём координату центра тяжести диска:

70= 0,4244 х г =0,4244 х 0,5 м = 0,2122 м. (4) Вычислим вращающий момент: Мтр=Ртрх у0= 100 Нх 0,2122 м = 21,22 Нм. (5)

Рис. 3 - Схема разности скоростей между поверхностью диска и почвой: а - диск пассивно вращается; б - диск не вращается

Работа вращающего момента сил:

Атр2 = Мтр хФ = 21,22 Н м х 2 х (6)

х 3,14 рад = 133,26 Дж. (6)

Энергосбережение расчётное в процентах (по-

стоянная величина):

п = 100% -

Атр1 А

тр2

X100 = 42,44%. (7)

тр1

Рис. 4 - Схема расположения центра тяжести полукруга

— пройденный путь диска при поступательном движении равен длине окружности диска S = 3,14 м;

— вес грунта, лежащего на половине поверхности диска Р = 100 н;

— коэффициент трения скольжения к =1.

1. Рассмотрим первый режим (диск движется поступательно и не вращается).

Найдём силу трения:

Гтр = Рл =100Нх1 = 100Н. (1)

Вычислим работу сил трения:

Атр1 = Ртрх ^ =100Нх 3,14 м = 314 Дж. (2)

2. Рассмотрим второй режим (диск движется поступательно, пассивно вращаясь вокруг своей оси).

Фактическое же энергосбережение будет немного ниже (в зависимости от экспериментально установленной величины поправочного коэффициента ц).

Выводы. Часть силы трения скольжения почвы о торцевую поверхность дисков-рыхлителей превращается в силу трения качения, которая при прочих равных условиях гораздо меньше по абсолютному значению. При этом оставшаяся сила трения скольжения уменьшается по всей площади поверхности за счёт уменьшения средней разности скоростей между поверхностью вращающегося диска и почвой (эта зависимость меняется от линейной до квадратичной) и за счёт предварительного разрыхления пласта в начальной фазе. Также ввиду того, что диски-рыхлители вращаются

в разные стороны, самая плотная часть пласта почвы, находящаяся в передней части рабочего органа, отчасти разрушается за счёт деформации растяжения, которая менее энергозатратна, чем сжатие или сдвиг.

Литература

1. Ахтариев В.В., Рзаева Т.С. Влияние способов и глубины основной обработки на компоненты агрофитоценоза при возделывании яровой пшеницы в северной лесостепи Тюменской области // Прорывные научные исследования: проблемы, закономерности, перспективы: сб. статей победителей VII Междунар. науч.-практич. конф.». Пенза, 2017. С. 26—28.

2. Демчук Е.В., Союнов А.С. Интенсификация технологии возделывания зерновых культур // Агрометеорология и сельское хозяйство: история значение и перспективы: сб. матер. Национ. (Всероссийской) науч.-практич. конф.,

посвящ. 100-летнему юбилею со дня образования учебной лаборатории агрометеорологии. Омск, 2016. С. 211—213.

3. Беляев В.И. Внедрение инновационных технологий возделывания сельскохозяйственных культур в Алтайском крае. Барнаул: Алтайский государственный аграрный университет, 2014. С. 22—28.

4. Чепурин Г.Е. Энергосберегающая техника для минимальной и нулевой обработки почв в Сибири / Г.Е. Чепурин, А.Н. Власенко, В.Ф. Федоренко, Н.В. Яшутин, Г.Л. Утенков. М.: ФГНУ Росинформагротех, 2004. 132 с.

5. Бумбар И.В., Парубенко А.В., Рузайкин Ю.Л. Практикум по сельскохозяйственным машинам. Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет, 2015. 111 с.

6. Кокошин С.Н. Физические основы процесса разрушения почвы // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2015. № 4 (31). С. 100—104.

7. Горячкин В.П. Собрание сочинений. 2-е изд. М.: Колос, 1968. Т. 2. 455 с.

8. Романенко В.А., Трубилин Е.И. Сельскохозяйственные машины: учеб. пособие. Краснодар: КубГАУ, 2014. 212 с.

Кинематические характеристики элементарных участков технологической поверхности сферического диска посевной машины в период взаимодействия с почвой

А.С. Путрин, д.т.н., Е.В. Большаков, инженер, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; М.И. Филатов, д.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ

В конструкциях сошников современных посевных комплексов нашли широкое применение дисковые бороздообразующие рабочие органы. Определённый практический интерес представляют сферические диски. Поэтому целесообразно иметь аналитические зависимости, описывающие кинематические характеристики движения в почве элементарных рабочих участков сферических дисков, используемых в качестве бороздообразующих элементов сошников зерновых сеялок.

В процессе эксплуатации сферического рабочего органа почвообрабатывающего орудия или сеялки диск перекатывается по поверхности поля, врезаясь в посевной слой на некоторую глубину. При этом отчётливо наблюдаются процессы подрезания, сдвигания и отбрасывания почвы. Следовательно, каждый элементарный участок рабочей поверхности сферического диска за период взаимодействия с почвой воздействует на неё перманентно.

Материал и методы исследования. Любая точка, принадлежащая сферической поверхности диска, совершает сложное движение: поступательное вместе с осью вращения и вращательное вокруг этой оси. При этом ось вращения диска может быть расположена как перпендикулярно к направлению поступательного движения, так и под некоторым углом.

Для практического определения значений параметров перемещения репрезентативных секторов сферического диска относительно посевного слоя рассмотрим кинематику их контрольных точек.

Конкретные значения параметров контрольных точек а, Ь и 1 репрезентативного сектора (рис. 1) принимаем с учётом специфики решаемых задач [1]. В процессе выявления числовых значений кинематических характеристик были учтены параметры радиуса сферы, по поверхности которой выполнен рабочий орган, радиуса диска, угла атаки, коэффициента скольжения, глубины погружения в почву, угловой скорости, координаты рассматриваемой точки диска в пространстве и параметра текущего времени.

Результаты исследования. К рассмотрению принимаются точки диска, идентифицированные с поверхностью сферы в пределах границ интервалов ее координатных значений х0, у0 и 20:

-V 2 • rf - г*2 < X <4 2 • rf - г*2

Ъ < Уо ^

r 2 - r 2 f d

(1)

-r, * г < r, - h

d о d

где r^ — радиус сферы рабочего диска; rd — радиус диска;

h — глубина врезания диска в почву. Закономерности движения контрольных точек характеризуются параметрическими уравнениями:

Х4 (t ) = fx (гсф , rd, Р, П,h 1, xo)

y 4(t ) = fy (гсф , rd, в n К ra1, Уо), (2)

г 4 (t ) = fz (Гсф , rd, в, П, h, ffl, t, го)

где p — угол установки плоскости вращения диска к направлению поступательного движения, градус;

q — коэффициент скольжения рабочего органа;