CC BY
2
УДК 633.63:631.171
DOI 10.36461/N P.2022.63.3.003
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВАЛА РОТОРНОГО ЛОПАСТНОГО ОРИЕНТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
В.А. Овтов, канд. техн. наук, доцент; А.А. Орехов, канд. техн. наук, доцент; А.В. Поликанов, канд. техн. наук, доцент; Н.С. Чиркова, студент; Д.А. Фролов, студент; Н.Н. Колдаев, студент; А.С. Костромитин, студент; Р.И. Девликамов, студент
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, e-maiL: OvtovvLad@maiL.ru
В работе рассмотрены конструкция и принцип действия роторного лопастного ориентирующего устройства для посадки маточных корнеплодов сахарной свеклы конической формы, качественная работа которого во многом определяет технологический процесс поштучной подачи корнеплодов в высаживающие конуса посадочного аппарата конусом вниз с последующей их заделкой в почву. Выполнение агротехнологических требований к посадочным работам во многом определяет получение запланированных урожаев семян сахарной свеклы. Определены нагрузки, действующие на ведущий вал лопастного ротора роторного лопастного ориентирующего устройства, а также выполнен его напряженно-деформированный анализ, который показал, что прочность и жесткость спроектированного и смоделированного вала обеспечит надежную работу роторного лопастного устройства. Таким образом, роторное лопастное ориентирующее устройство высадкопосадочной машины обеспечит поштучное ориентирование корнеплодов, независимо от их размеров и конусности.
Ключевые слова: сахарная свекла, посадка, напряженно-деформированный анализ, моделирование, вал, роторное лопастное устройство.
Для цитирования: Овтов В.А., Орехов А.А., Поликанов А.В., Чиркова Н.С., Фролов Д.А., Колдаев Н.Н., Костромитин А.С., Девликамов Р.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния вала роторного лопастного ориентирующего устройства. Нива Поволжья, 2022, 3 (63), с. 3001. DOI 10.36461/N P.2022.63.3.003
Введение
Стратегической задачей по снижению зависимости от иностранных производителей семян сахарной свеклы является развитие отечественного семеноводства и обеспечение свекловодов страны семенами. Одним из сдерживающих факторов, влияющим на развитие производства семян отечественными сельскохозяйственными производителями, является устаревшая техническая и технологическая база семеноводческих хозяйств, которой необходимо существенное обновление [1-4].
Выполнение агротехнологических требований к посадочным работам во многом определяет получение запланированных урожаев семян сахарной свеклы [4-12]. При соблюдении технологического процесса посадки маточников сахарной свеклы важную роль играет ориентирующее устройство, качественная работа которого во многом определяет технологический процесс поштучной подачи корнеплодов в высаживающие конуса посадочного аппарата конусом вниз с последующей их заделкой в почву [11-20].
Методы и материалы
Методологической основой проведенных исследований является использование системного подхода объектно-ориентированного анализа и синтеза, направленного на повышение надежности работы деталей и узлов высадкопосадочной машины. В основу исследований прочности и жесткости вала лопастного ориентирующего устройства положены известные принципы механики твердых тел, теории упругости и сопротивления материалов, а также напряженно-деформированного анализа, с учетом обобщения, анализа и моделирования. В основе проектирования, а затем исследования конструкций механизмов и машин для сельскохозяйственного производства лежит принцип применения трехмерного моделирования, связанный с прочностью деталей сборочных единиц и технологичностью их изготовления.
Результаты и их обсуждение
На рисунке 1 представлена трехмерная модель роторного лопастного ориентирующего устройства машины для посадки маточных корнеплодов сахарной свеклы (патент № 201497 РФ)
[21], представляющая собой цельнометаллическую рамную сварную конструкцию из профильной трубы сечением 40x25, включающей контур (1) и стойки (2), на которую крепятся корпуса подшипников (5) и направляющий лоток (8).
Роторы включают в себя обечайки (3), по образующим которых выполнены пазы, в которых закреплены лопасти (4), выполненные из эластичного материала. На валах (6) роторов, закреплены приводные звездочки (7).
Рис. 1. Трехмерная модель
Роторное лопастное ориентирующее устройство высадкопосадочной машины работает следующим образом. Корнеплоды (9) поштучно захватываются одной из лопастей (4) ротора и за счет момента от силы тяжести занимают горизонтальное положение между соседними лопастями ротора вдоль оси вращения ротора. При повороте лопастного ротора корнеплод перекатывается по поверхности лопасти и занимает устойчивое положение между двумя совмещенными лопастями двух роторов, которые образуют V-образный желоб. При дальнейшем синхронном вращении двух лопастных роторов, их лопасти находятся на некотором расстоянии друг
ориентирующего устройства
от друга, при этом корнеплод разворачивается хвостовой частью вниз и зависает на уровне плоскости максимального диаметра между двумя лопастями роторов с опорой в двух точках. В результате этого происходит ориентация корнеплода хвостовой частью вниз за счет конусной формы хвостовой части корнеплода и момента силы тяжести, возникающей в V-образном желобе. При дальнейшем вращении лопастных роторов корнеплод попадает в направляющий лоток (8) и затем подается в высаживающие конуса посадочного аппарата. На рисунке 2 представлена трехмерная модель вала, загруженная внешними силовыми факторами.
Рис. 2. Трехмерная модель вала
Напряженно-деформированный анализ состояния вала лопастного ротора ориентирующего устройства проводился с использованием модуля APM FEM КОМПАСА. В качестве элементов конечно-элементной сетки были выбраны 10-узловые тетраэдры с минимальной длиной стороны элемента 0,05 мм.
Результаты статического расчета напряженно-деформированного состояния вала роторного лопастного ориентирующего устройства представлены на рисунке 3 и 4.
М АПМ
П 121.5 301.5 281.4 И 261.3 241.3 221.2 м 201.2
Н 181.1 I 161.1
I 141
120.3 I 100.9 _ 80.82
U- 60.76 40.7 20.65 0.5867
М АПМ
П 0.2311 0.2167 0.2022 ' 0.1878 0.1733 -. 0.1589 0.1444 I 0.13 I 0.11S6
I 0.Ю11
I 0.08667 1 0.07222 I 0.05778
U 0.04333 0.02883 0.01444 О
Также из полученных результатов можно сделать вывод, что максимальные перемещения вала составляют около 0,231 мм, следовательно, прочность и жесткость вала роторного лопастного ориентирующего устройства обеспечена.
Анализ полученных результатов напряженно-деформированного состояния вала показывает, что максимальные значения эквивалентных напряжений возникают в месте соединения вала с торцевой крышкой обечайки и составляют 223,2 МПа, что ниже предела текучести для стали марки «Сталь 20».
При этом коэффициент запаса по пределу прочности равен 1,837, а минимальное значение коэффициента запаса по пределу текучести составляет 1,053
Заключение
Проведенный напряженно-деформированный анализ вала лопастного ротора позволяет сделать вывод, что прочность и жесткость спроектированного и смоделированного вала
Рис. 3. Эквивалентные напряжения вала лопастного ротора
Рис. 4. Суммарные перемещения вала лопастного ротора
обеспечит надежную работу роторного лопастного устройства. Таким образом, роторное лопастное ориентирующее устройство высадко-
посадочной машины обеспечит поштучное ориентирование корнеплодов, независимо от их размеров и конусности.
Литература
1. Ovtov V.A., Chirkova N.S. Rotary paddLe orienting device for planting root crops. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Omsk City, 29-30 марта 2021 года. Omsk City, 2022, p. 012058. -DOI 10.1088/1755-1315/954/1/012058.
2. Овтов В., Чугунов В. Точная посадка маточников сахарной свеклы. Сельский механизатор, 2008, № 10, с. 9.
3. Кухарев О.Н., Семов И.Н., Старостин И.А. К вопросу технико-технологического обеспечения селекции и семеноводства сахарной свеклы. Вестник Казанского государственного аграрного университета, 2019, т. 14, № 4-2 (56), с. 25-30.
4. Овтов В.А., Васюнин М.С., Нагорнов А.Е. Технико-экономическое обоснование высадкопосадочной машины с ориентирующими вальцами. Аграрный научный журнал, 2020, № 4, с. 92-95.
5. Емельянов П. А., Знаев Е. И. Теоретические и экспериментальные исследования механического ориентирования корнеплодов конической формы в пространстве. Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2011, 197 с.
6. Овтов В.А., Гудин В.М., Чиркова Н.С. Шнековое ориентирующее устройство для посадки свеклы. Сельский механизатор, 2020, № 8, с. 8-9.
7. Емельянов П.А., Знаев Е.И. Средства механизации посадки маточных корнеплодов. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2005, № 2, с. 10-12.
8. Овтов В.А., Орехов А.А., Митин К.М. и [др.]. Уточненный расчет ведущего вала бесступенчатого редуктора. Сурский вестник, 2022, № 1 (17), с. 46-50. - D0I:10.36461/2619-1202_2022_01_010.
9. Ovtov V.A., Chirkova N.S., Gudin V.M. Auger orienting device for planting sugar beet root crops. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Zernograd, Rostov Region, 27-28 августа 2020 года. Zernograd, Rostov Region, 2021, p. 012017.
10. Ларюшин Н.П., Кухарев О.Н., Оликов В.П. Устройство для механизированной посадки маточных корнеплодов. Сахарная свекла, 2005, № 5, с. 35-37.
11. Аксенов А.Г., Емельянов П.А., Овтов В.А., Сибирев А.В. Катушечно-вильчатый высаживающий аппарат для ориентированной посадки лука-севка. Сельскохозяйственные машины и технологии, 2015, № 5, с. 20-24.
12. Овтов В.А. Обоснование кинематических параметров вальцового транспортирующего устройства при посадке маточников сахарной свеклы. Тракторы и сельхозмашины, 2016, № 2, с. 36-37.
13. Ларюшин Н.П., Кухарев О.Н., Оликов В.П. Ориентирующее устройство для посадки высадков сахарной свеклы. Материалы 49-ой научно-технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета. Пенза: РИО ПГСХА, 2004, с. 169.
14. Ovtov V., Ovtova O. The evaluating method of the biological activity and relative productivity for mixed and combined three-component crops. Scientific Papers-Series A-Agronomy, 2020, v. 63, № 1, p. 112-118.
15. Евстратов А.И., Бартенев И.И., Удовиченко Н.М. Посадка маточных корнеплодов. Сахарная свекла, 2000, № 4-5, с. 29-31.
16. Овтов В.А., Нагорнов А.Е., Васюнин М.С. Ориентирующее устройство для посадки свеклы. Сельский механизатор, 2020, № 2, с. 12-13.
17. Kukharev O.N., Polikanov A.V., Semov I.N. The technology of obtaining high-quality seeds of sugar beet. Research journal of pharmaceutical, biological and chemical sciences, 2017, v. 8, № 1, с. 1210-1213.
18. Овтов В.А., Гудин В.М., Чиркова Н.С., Горшков К.А. Ориентирующее устройство для посадки свеклы. Аграрный научный журнал, 2022, № 6, с. 104-106.
19. Крыжко В.Н., Зыков П.Ю., Тарабрин А.Е. Концепция развития механизации семеноводства. Сахарная свекла, 2001, № 1, с. 23-24.
20. Оликов В.П. Разработка и обоснование технологических и конструктивно-режимных параметров ориентирующего устройства для посадки высадков сахарной свеклы: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.20.01. Пенза: РИО ПГСХА, 2004, 158 с.
21. Патент № 201497 U1 РФ. Роторно-лопастное ориентирующее устройство высадкопосадочной машины. В.А. Овтов, Н.С. Чиркова: Заявл. 03.08.2020: опубл. 18.12.2020. Бюл. № 35.
UDC 633.63:631.171
DOI 10.36461/N P.2022.63.3.003
MODELLING THE STRESS-STRAIN STATE OF THE ROTARY PADDLE
ORIENTING DEVICE SHAFT
V.A. Ovtov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; A.A. Orekhov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; A.V. Polikanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; N.S. Chirkova, Student; D.A. Frolov, Student; N.N. Koldaev, Student; A.S. Kostromitin, Student;R.I. DevlikamovStudent
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Penza State Agrarian University",
Penza, Russia, e-mail: Ovtovvlad@mail.ru
The article considers the construction and the operating principle of the rotary paddle orienting device for planting of sugar beet mother root crops of conical form, which high-quality operation largely determines the technological process of a piece-by-piece feeding of root crops into the planting cones of a planting apparatus with the following planting of root crops with a cone downward into the soil. The fulfillment of agro-technological requirements for planting works largely determines the obtaining of planned harvests of sugar beet seeds. We have determined the loads, which work upon the drive shaft of a paddle rotor of a rotary paddle orienting device, and carried out its stress-strain analysis, which showed that the strength and rigidity of a designed and modelled shaft will ensure reliable operation of a rotary paddle device. Thus, the rotary paddle orienting device of the planting machine will provide piece-by-piece orientation of root crops, regardless of their size and taper.
Keywords: sugar beet, planting, stress-strain analysis, modelling, shaft, rotary paddle device.
References
1. Ovtov V.A., Chirkova N.S. Rotary paddle orienting device for planting root crops. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Omsk City, 29-30 March 2021. Omsk City, 2022, p. 012058. - DOI 10.1088/1755-1315/954/1/012058. - EDN RSEFVE.
2. Ovtov V., Chugunov V. Precise planting of sugar beet mother plants. Selskiy Mechanizator, 2008, No. 10, p. 9.
3. Kukharev O.N., Semov I.N., Starostin I.A. To the question of technic-technological support of selection and seeding of sugar. Journal of Kazan State Agrarian University, 2019, vol. 14, No. 4-2 (56), pp. 25-30.
4. Ovtov V.A., Vasyunin M.S., Nagornov A.E. Technical and economic justification of a modernized machine with orienting rollers for planting root crops. The Agrarian Scientific Journal, 2020, No. 4, pp. 92-95.
5. Emelyanov P. A., Znaev E. I. Theoretical and experimental studies of the mechanical spatial orientation of conical root crops. Penza: Penza State Agrarian University, 2011, 197 p.
6. Ovtov V.A., Gudin V.M., Chirkova N.S. Beet planting auger orienting device. Selskiy Mechanizator, 2020, No. 8, pp. 8-9.
7. Emelyanov P.A., Znaev E.I. Mechanical means of planting of mother root crops. Traktory i selskokhozyaystvennye mashiny, 2005, No. 2, pp. 10-12.
8. Ovtov V.A., Orekhov A.A., Mitin K.M. and [others]. Refined calculation of the drive shaft of a continuously variable gearbox. Sursky vestnik, 2022, No. 1 (17), pp. 46-50. - DOI:10.36461/2619-1202_2022_01_010.
9. Ovtov V.A., Chirkova N.S., Gudin V.M. Auger orienting device for planting sugar beet root crops. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Zernograd, Rostov Region, 27-28 August 2020. Zernograd, Rostov Region, 2021, p. 012017.
10. Laryushin N.P., Kukharev O.N., Olikov V.P. Device for mechanized planting of mother root crops. Sakharnaya svekla, 2005, No. 5, pp. 35-37.
11. Aksenov A.G., Emelyanov P.A., Ovtov V.A., Sibirev A.V. Forked-roller feed mechanism for seed onion oriented planting. Agricultural Machinery and Technologies, 2015, No. 5, pp. 20-24.
12. Ovtov V.A. Substantiation of kinematic parameters of a roller transporting device when planting sugar beet mother plants. Traktory i selkhozmashiny, 2016, No. 2, pp. 36-37.
13. Laryushin N.P., Kukharev O.N., Olikov V.P. Orienting device for planting sugar beet plantings. Proceedings of the 49th Scientific and Technical Conference of young scientists and students of the Faculty of Engineering. Penza: RIO PGSHA, 2004, p. 169.
14. Ovtov V., Ovtova O. The evaluating method of the biological activity and relative productivity for mixed and combined three-component crops. Scientific Papers-Series A-Agronomy, 2020, v. 63, № 1, p. 112-118.
15. Evstratov A.I., Bartenev I.I., Udovichenko N.M. Planting of mother root crops. Sakharnaya svekla, 2000, No. 4-5, pp. 29-31.
16. Ovtov V.A., Nagornov A.E., Vasyunin M.S. Orientation device for planting beets. Selskiy Mechanizator, 2020, No. 2, pp. 12-13.
17. Kukharev O.N., Polikanov A.V., Semov I.N. The technology of obtaining high-quality seeds of sugar beet. Research journal of pharmaceutical, biological and chemical sciences, 2017, v. 8, № 1, c. 1210-1213.
18. Ovtov V.A., Gudin V.M., Chirkova N.S., Gorshkov K.A. Orientation device for beet planting. The Agrarian Scientific Journal, 2022, No. 6, pp. 104-106.
19. Kryzhko V.N., Zykov P.Yu., Tarabrin A.E. The concept of the development of mechanization of seed production. Sakharnaya svekla, 2001, No. 1, pp. 23-24.
20. Olikov V.P. Development and substantiation of technological and mode-structural parameters of an orienting device for planting sugar beet plantings: dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences: 05.20.01. Penza: RIO PGSHA, 2004, 158 p.
21. Patent No. 201497 U1 of the Russian Federation. Rotary-blade orienting device of the planter. V.A. Ovtov, N.S. Chirkova: appl. 03.08.2020: publ. 18.12.2020. bul. No. 35.
