CC BY
7
УДК 631.352.99
НЕЛИНЕЙНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК МОДЕЛИ БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА
Д. И. Фролов, А. А. Курочкин
NONLINEAR ESTIMATION OF DYNAMIC LOADS BY MODEL HAULM REMOVING WORKING BODY
D. I. Frolov, A. A. Kurochkin
Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования является ботво-удаляющий рабочий орган. Для качественного удаления листостебельной массы с поля при использовании ротационного рабочего органа требуются значительные скорости вращения. В связи с этим весьма актуальной задачей является получение данных, позволяющих оценить нелинейное действие сил на рабочий орган в процессе удаления им листостебельной массы. Цель данного исследования - изучить степень влияния веса стеблей листостебельной массы и центробежных сил, действующих на ботвоудалящий рабочий орган, с помощью нелинейного динамического анализа. Материалы и методы. Реализация задач компьютерного моделирования была достигнута с помощью CAD-CAE системы Solidworks. Результаты. В результате проведенного нелинейного анализа в Solidworks Simulation были получены численные значения действующих на модель ботвоудаляющего рабочего органа напряжений, перемещений и деформаций, что позволило выявить его слабые места. Выводы. Анализ полученных данных выявил существенное влияние центробежной силы и веса срезаемой листостебельной массы на ножи рабочего органа ботвоудаляющей машины, что необходимо учитывать при ее модернизации.
Ключевые слова: ботвоудаляющая машина, рабочий орган, нелинейный динамический анализ.
Abstract. Background. The object of the research is haulm removing working body. For qualitative cormophyte remove weight from the field using the rotary operating element requires considerable speed. In this connection, a very urgent task to obtain data for assessing the effect of non-linear forces on the actuator in the process of removing them cormophyte mass. The purpose of this study - to examine the degree of influence of the weight of stems cormophyte weight and centrifugal forces acting on the haulm removing working body by a non-linear dynamic analysis. Materials and methods. Implementation of computer modeling tasks was achieved with the help of CAD-CAE systems SolidWorks. Results. As a result of non-linear analysis in Solidworks Simulation numerical values were obtained in the operating model haulm removing working body stress, displacements and strains, which revealed its weaknesses. Conclusions. Analysis of the data revealed a significant effect of centrifugal force and weight of cut cormophyte mass knives haulm removing working body of the machine, which should be considered in its modernization.
Key words: haulm removing machine, working body, nonlinear dynamic analysis.
Введение
Качественная работа теребильных машин обеспечивается лишь при надлежащей подготовке поля перед уборкой. Как показывают исследования и опыт уборки, засоренность полей в этот период составляет 60-70 %, а высота сорных растений при этом достигает 50 см. Объясняется это тем, что между последней обработкой посевов гербицидами и началом уборки проходит две-три недели и за этот период сорные растения успевают хорошо подрасти [1, 2].
При уборке машинами теребильного типа, если поле предварительно не было подготовлено, происходит забивание вращающихся элементов теребильного аппарата, что приводит к снижению производительности машины, ее поломке и увеличению количества остановок для очистки [3, 4]. Поэтому для эффективной работы уборочных машин в процессе механизированной уборки картофеля применяется предварительное удаление ботвы.
Наиболее производительными машинами, применяемыми для этой цели, считаются машины, оснащенные роторными рабочими органами. Простота конструкции и высокое качество среза обусловливают широкое применение таких машин в процессе уборки различных сельскохозяйственных культур.
В разработанной ботвоудаляющей машине [5] был использован ротационный режущий аппарат, позволяющий срезанную ботву укладывать на поле или собирать для последующего использования на корм скоту [6, 7].
С целью получения рациональных конструктивных и режимных параметров рабочего органа, а также оптимизации воздушного потока внутри кожуха были проведены исследования, позволяющие решить связанные с ними задачи [8—14].
Между тем известно, что для эффективного безопорного среза ботвы требуются значительные скорости. В связи с этим задача динамического анализа рабочего процесса ротационных рабочих органов переходит в разряд актуальных.
Для оценки нагрузок, действующих на рабочий орган, использовался нелинейный динамический анализ, так как в реальных условиях этот анализ показывает более точные результаты, чем линейный. Нелинейность может быть вызвана поведением материала, большими перемещениями и условиями контакта ножей и срезаемого материала.
Материалы и методы
Компьютерная модель ботвоудаляющего рабочего органа была построена на основе метода конечных элементов. В качестве CAD-CAE системы была использована SolidWorks.
Ботвоудаляющий рабочий орган имеет следующие размеры (рис. 1): ширина ножа - 118 мм; длина ножа - 150 мм; толщина ножа - 4 мм; диаметр ротора - 40 мм; угол наклона ножей - 45 градусов.
Рис. 1. Общий вид 3Б модели ботвоудаляющего рабочего органа и его размеры
При моделировании учитывались следующие факторы: силы, действующие со стороны срезаемой листостебельной массы; центробежные силы, действующие на рабочий орган вследствие его вращения.
В качестве материала ротора и ножей была принята Сталь 65Г ГОСТ 535-88 с параметрами, представленными в табл. 1.
Таблица 1
Свойства используемой стали
Имя Сталь 65Г ГОСТ 535-88
Тип модели Линейный Упругий Изотропный
Критерий прочности по умолчанию Максимальное напряжение von Mises
Предел текучести 7,85e+008 N/mA2
Предел прочности при растяжении 9,8e+008 N/mA2
Модуль упругости 2,15e+011 N/mA2
Коэффициент Пуассона 0.28
Массовая плотность 7850 kg/mA3
Модуль сдвига 8,4e+010 N/mA2
Коэффициент теплового расширения 1,18e-005 /Kelvin
Объемные свойства ботвоудаляющего рабочего органа: масса - 3,5227 кг, объем - 0,000448751 м3, плотность - 7850 кг/м3.
Решателем была построена конечноэлементная сетка с параметрами, представленными в табл. 2.
Таблица 2
Параметры конечноэлементной сетки
Тип сетки Сетка на твердом теле
Используемое разбиение Стандартная сетка
Точки Якобиана 4 Точки
Размер элемента 7,65797 тт
Допуск 0.382898 тт
Качество сетки Высокая
Всего узлов 14372
Всего элементов 7891
В качестве креплений для верхнего и нижнего торца ротора был использован ролик-ползун, а для цилиндрической поверхности ротора - зафиксированный шарнир.
На модель были заданы следующие нагрузки:
- центробежная сила, действующая на вал ротора; угловая скорость 190 рад/с; угловое ускорение 190 рад/с2;
- нормальная сила, приложенная к плоскости ножей, характеризующая вес срезанных стеблей; на передней грани каждого ножа приложена сила 1 Н.
Результаты
В результате проведенного нелинейного анализа в Solidworks Simulation были получены значения действующих на модель ботвоудаляю-щего рабочего органа напряжений, перемещений и деформаций.
Анализ модели ботвоудаляющего рабочего органа показал (рис. 2), что при скорости вращения 190 рад/с минимальное напряжение, воздействующее на него, составляет 1,315e+3 Н/м2, а максимальное - 5,000e+5 Н/м2. С учетом того, что предел текучести для данной стали равен 7,85e+008 Н/м2, условие прочности полученной модели выполняется. При этом можно отметить, что максимальные напряжения локализуются вблизи соединения ножей с валом ротора.
Рис. 2. Модель ботвоудаляющего рабочего органа с приложенными начальными условиями и диаграммой действующих напряжений по критерию прочности Мизеса
За расчетное время при выполнении нелинейного динамического анализа было принята 1 с. На рис. 3 показан график зависимости напряжений, действующих на модель ботвоудаляющего рабочего органа, от времени. Из графика очевидно, что напряжения возрастают по параболе.
График зависимости результирующих перемещений ножей при действии нагрузки от времени изображен на рис. 4 и по виду близок к линейному. На основании данного графика можно сделать вывод о том, что максимальные перемещения сосредоточены на периферии ножей.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Время, с
Рис. 3. График зависимости напряжений, действующих на модель ботвоудаляющего рабочего органа, от времени
Рис. 4. График зависимости результирующих перемещений ножей при действии нагрузки от времени
Сводные результаты нелинейного анализа приведены в табл. 3.
Таблица 3
Сводные результаты нелинейного анализа
Наименование характеристики Частота вращений вала, рад/с (об/мин) Минимальное Максимальное
VON: Напряжение Von Mises, Н/м2 190 (1815) 1,315e+3 5,000e+5
URES: Результирующее перемещение, мм 190 (1815) 0,00028 6,47576
ESTRN: Эквивалентная деформация 190 (1815) 3,048e-8 0,00184
Заключение
В процессе изучения влияния веса стеблей листостебельной массы и центробежных сил была построена компьютерная модель действующих на ботвоудалящий рабочий орган нагрузок. С помощью нелинейного динамического анализа получены численные значения действующих на модель ботво-удаляющего рабочего органа напряжений, перемещений и деформаций.
Анализ полученных данных выявил влияние центробежной силы и веса срезаемой листостебельной массы на ножи рабочего органа ботвоудаляющей машины, причем максимальные деформации и напряжения возникают преимущественно в области крепления ножей к валу ротора. Применяемая для изготовления ножей и вала ротора сталь 65Г полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данному рабочему органу.
Список литературы
1. Ларюшин, Н. П. Оптимальные параметры ботвоудаляющего рабочего органа обрезчика листостебельной массы / Н. П. Ларюшин, А. М. Ларюшин, Д. И. Фролов // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. - № 2. - С. 15-17.
2. Фролов, Д. И. Разработка обрезчика ботвы лука и сорных растений с обоснованием конструктивных и режимных параметров : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01 / Фролов Дмитрий Иванович. - Пенза, 2008. - 153 с.
3. Фролов, Д. И. Разработка обрезчика ботвы лука и сорных растений с обоснованием конструктивных и режимных параметров : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01 / Фролов Дмитрий Иванович. - Пенза, 2008. - 18 с.
4. Ларюшин, Н. П. Уборка без задержек / Н. П. Ларюшин, А. М. Ларюшин, Д. И. Фролов // Сельский механизатор. - 2007. - № 7. - С. 48-49.
5. Пат. 2339208 Российская Федерация, МПК А 01 Д 23/02. Ботвоудаляющая машина / Ларюшин Н. П., Сущев С. А., Фролов Д. И., Ларюшин А. М. - № 2007109990/12 ; заявл. 19.03.2007 ; опубл. 27.11.2008, Бюл. № 33.
6. Фролов, Д. И. Применение модернизированной ботвоудаляющей машины для скашивания люцерны / Д. И. Фролов // Инновационная техника и технология. -2015. - № 1 (2). - С. 45-49.
7. Ларюшин, А. М. Совершенствование технологии уборки лука / А. М. Ларюшин, Н. П. Ларюшин, Д. И. Фролов // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. - М. : Академия наук о Земле, 2007. - С. 17-18.
8. Фролов, Д. И. Обоснование рациональных параметров ботвоудаляющей машины на посевах лука / Д. И. Фролов, С. В. Чекайкин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 6 (22). - С. 158-161.
9. Фролов, Д. И. Обоснование оптимальной частоты вращения рабочего органа бот-воудаляющей машины / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 3. -С. 18-23.
10. Ларюшин, Н. П. Обоснование конструктивно-режимных параметров ботвоудаляющего устройства при лабораторных исследованиях / Н. П. Ларюшин, А. М. Ларюшин, Д. И. Фролов // Нива Поволжья. - 2008. - № 2. - С. 46-51.
11. Фролов, Д. И. Моделирование процесса удаления ботвы лука рабочим органом ботвоудаляющей машины / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. -№ 3. - С. 29-33.
12. Фролов, Д. И. Определение оптимальных параметров ботвоудаляющей машины на посевах лука / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 1 (29). -С. 120-126.
13. Фролов, Д. И. Анализ процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляю-щего рабочего органа с обоснованием оптимального угла наклона ножей / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова, Д. Е. Каширин // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Косты-чева. - 2015. - № 4 (28). - С. 69-74.
14. Фролов, Д. И. Анализ работы ботвоудаляющего рабочего органа с оптимизацией воздушного потока внутри кожуха / Д. И. Фролов // Инновационная техника и технология. - 2014. - № 4 (1). - С. 30-35.
Фролов Дмитрий Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра пищевых производств, Пензенский государственный технологический университет E-mail: [email protected]
Курочкин Анатолий Алексеевич доктор технических наук, профессор, кафедра пищевых производств, Пензенский государственный технологический университет E-mail: [email protected]
Frolov Dmitriy Ivanovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of food productions, Penza State Technological University
Kurochkin Anatoliy Alekseevich doctor of technical sciences, professor, sub-department of food productions, Penza State Technological University
УДК 631.352.99 Фролов, Д. И.
Нелинейное оценивание динамических нагрузок модели ботвоудаляющего рабочего органа / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 2 (18). - C. 299-305.
