CC BY
514
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 631.316.2
С.Н. Кокошин Kokoshin S. N.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЛУБИНЫ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ КУЛЬТИВАТОРАМИ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ СТОЙКИ
ENSURE THE DEPTH OF TILLAGE CULTIVATORS BY CHANGING THE RIGIDITY OF A RACK
Проведен анализ упругих стоек культиваторов, которые имеют возможность снижать тяговое сопротивление за счет вынужденных колебаний.
Предложена конструкция стойки культиватора, способная изменять свою жесткость в зависимости от силы сопротивления почвы. Представлены расчетные схемы, которые позволяют определить перемещение лапы от силы сопротивления почвы и гидравлического давления.
Ключевые слова: культиватор, жесткость, глубина обработки, равномерность.
The article gives information on the analysis of elastic racks of cultivators, which have the ability to reduce the traction resistance due to forced oscillations.
We worked out the construction of the cultivator rack, capable of changing its rigidity depending on the strength of soil resistance. We present the calculation schemes which allow defining movement of a paw from force of resistance of the soil and hydraulic pressure.
Key words: cultivator, rigidity, cultivating depth, uniformity.
Кокошин Сергей Николаевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры лесного хозяйства, деревообработки и прикладной механики
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» г. Тюмень
Тел.: 8(3452)29-01-20 E-mail: mti-tsaa@yandex.ru
Kokoshin Sergey Nikolaevich -
Ph.D in Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Forestry, Woodworking and Applied Mechanics
FSBEI HE «Northern Trans-Ural State Agrarian
University»
Tyumen
Tel.: 8(3452)29-01-20 E-mail: mti-tsaa@yandex.ru
Предпосевная обработка почвы и посев сельскохозяйственных культур являются наиболее энергоемкими (до 40 % всех затрат) и основополагающими для получения высоких урожаев. Основными показателями данных процессов являются тяговое сопротивление и глубина хода рабочих органов. Еще в середине ХХ века ученые задавались вопросом о равномерности глубины обработки почвы и ее обеспечении при условии минимального тягового сопротивления [1]. В настоящее время данную проблему активно исследуют, выявляя зависимости между глубиной обработки и урожайностью различных культур [2], обосновывая экономически целесообразную глубину обработки почвы без снижения урожайности [3].
Для предпосевной обработки почвы используют культиваторы с лаповыми рабочими органами на упругих стойках, у которых в процессе работы возникают колебания за счет переменной силы сопротивления почвы [4, 5]. При различных частотах и амплитудах колебаний стойки, тяговое сопротивление машины изменяется [6]. Регулировать параметры колебаний можно изменением точки крепления стойки культиватора [7] или путем различных виброустройств [8, 9]. В связи с тем что физико-механические свойства почвы изменяются даже в пределах поля, обрабатываемого одним агрегатом, воз-
никает проблема регулировки параметров вибрации стоек и глубины хода рабочих органов, которую можно решить за счет применения культиваторных стоек с изменяемой жесткостью [10]. Для этого в конструкции стойки предусмотрен гибкий трубчатый элемент (ГТЭ), представляющий собой герметичную трубку овального сечения (рис. 1).
Рабочий орган культиватора состоит из лапы 1, закрепленной на элементе стойки 2, который соединен креплением 5 с гибким трубчатым элементом 3. В ГТЭ предусмотрен штуцер 4 для соединения с гидросистемой трактора. При подаче жидкости под давлением в полость ГТЭ поперечное сечение деформируется, стремясь к окружности, тем самым увеличивая жесткость элемента при изгибе и перемещая лапу вниз в вертикальной плоскости.
При изменении силы сопротивления почвы, действующей на лапу, возникает деформация стойки, и рабочий орган перемещается вверх и назад по ходу движения агрегата, уменьшая глубину обработки почвы. Для определения значения давления жидкости, подаваемой в полость ГТЭ, с целью компенсации перемещений от действия сил сопротивления почвы, была составлена расчетная схема Э-образной стойки с линейными параметрами Я1, Я2, Я3, 1_ и углами сегментов а1, а2, а3 (рис. 2, а).
Силу сопротивления почвы раскладываем на две проекции Рх и Р2, которые, действуя на лапу
в
:№ 1(29), 2018
Агроинженерия
15
б)
А-А
л
Рисунок 1 - Предлагаемый рабочий орган культиватора:
а - общий вид стойки; б - поперечное сечение; 1 - лапа; 2 - стандартный элемент стойки; 3 - гибкий трубчатый элемент; 4 - штуцер; 5 - крепление
АХ Е'
б
Рисунок 2 - Расчетная схема к определению перемещений:
а - под действием силы сопротивления; б - под действием давления
а
16
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
(точка Е), создают изгибающие моменты относительно консольного крепления:
2 ■ R3 ■ sin(—■ sin(«1 - a2
^¡Ч ч
I-—13-) 4 2
Mz = Fr
-2 ■ R2 ■ sin(—22^) ■ sin(«1 - a2 + —22^) + L¡ ■ sin(«1) 4
-2 ■ R1 -sin(^) ■ sin(^ —21)
2 ■ R3 ■ sin(——) ■ cos((«1 - a2
¡3
-a3 H——) -32
-Щ^) - L¡ ■ cos(«1) -
(1)
2
Mx = Fz ■ - 2 ■ R2 ■ sin(^2L) ■ cos(a1 - a2 - 2 ■ R1 ■ sin(-^) ■ cos(^1
В выражении (1) аи, ai2, ai3, L¡ - координата точки стойки в пределах соответствующего участка. Рассматривая S-образную стойку как консольную криволинейную балку, определить перемещение рабочего органа можно, используя формулу Симпсона
AEr 6J { M' (0) ■ M1(0) + 4 ■ Mr (2) ■ M,(l) + Mr (l) ■ Ml(l) j ,(2)
где l - длина рассматриваемого участка, мм; MF - момент от внешней силы, Нмм; Мт - момент от единичной силы, Нмм; EJ - жесткость рассматриваемого участка, Нмм2.
Из выражения (2) AEF характеризует изменение глубины обработки почвы культиваторной лапой. Чтобы нейтрализовать данное перемещение, необходимо определить значение давления жидкости для подачи в полость ГТЭ (рис. 2, б). Для определения перемещений точки Е необходимо рассчитать координаты точки до подачи давления и координаты точки после подачи давления E. Выразим данные координаты через геометрические параметры средней линии стойки - центральные углы и радиусы, учитывая, что начало координат находится в точке А:
XE = R1 ■ sin a1 + L ■ cosa1 + R2 ■ sin P - R2 ■ sin( P + a2) + + R3 ■ sin(a2 + P) - R3 ■ sin(a2 + p + a3); (3)
Z E = -R1 ■ (1 - cos a1) - L ■ sin a1 - R2 ■ cos P + R2 ■ cos( P + a2) - R3 ■ cos( a2 + P) + R3 ■ cos( a2 + p + a3);
XE = R1 ■ sin a1 + L ■ cos a1 + R2 ■ sin p - R2 ■ sin(^ + a2) + + R3 ■ sin(a2 + p ) - R ■ sin(a2 + p + a3); (4)
ZE = -R1 ■ (1 - cosa^) - L ■ sina1 - R2 ■ cos p + R2 ■ cos(^ + a2) -- R3 ■ cos(a2 + p) + R3 ■ cos(a2 + p + a3),
где р = % - а15 р' = % - а/ углы, смежные с а и а] соответственно. '
Для определения координаты точки Е' необходимо знать значения центрального угла а1 и радиуса кривизны Я[ , которые характеризуются относительным углом раскрытия. Учитывая, что длина дуги трубчатого элемента до и после воздействия давления не изменяется, имеем':
а1 • Я1
а, • R1 — а, • R1 ^ R1 — ■
а.
(5)
Определив координаты точки Е до и после деформации трубчатого элемента под действием давления, перемещение рабочего органа можно определить из выражения
AX = X¿ - XE; hZ = Z¿ - ZE;
(6)
AE.
= y¡AX2 +AZ2.
Для движения рабочего органа на установленной глубине необходимо, чтобы выполнялось условие
aef +АЕр
>0
(7)
При расчетах в пределах прочности материала гибкого трубчатого элемента, изготовленного из стали 12Х18Н10Т и силе сопротивления почвы до 2 кН на 1 лапу шириной 330 мм были получены следующие геометрические параметры: центральный угол 165... 180°; радиус кривизны 200...230 мм; параметры сечения: большая и малая полуоси а = 30 мм; в = 15 мм; толщина стенки сечения И = 3,5 мм. При подаче давления до 6 МПа перемещение лапы культиватора составляет до 35 мм.
Приведенные выше выражения подтверждают возможность стабилизации глубины обработки почвы с различными физико-механическими свойствами за счет применения ГТЭ в конструкции стойки культиваторной лапы. Применение системы, которая будет отслеживать изменение свойств почвы при ее обработке, позволит изменять гидравлическое давление, подаваемое в полость ГТЭ, тем самым изменяя жесткость стойки для обеспечения условия (7), а также снижения тягового сопротивления за счет вибрационного воздействия на почву.
Литература
1. Гребнев В. П. Исследование равномерности глубины обработки почвы при позиционно-силовом регулировании // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1977. № 5. С. 22-24.
2. Иванов В. М., Мордвинцев Н. В. Реакция сортов сои на норму высева и глубину основной обработки почвы на черноземах Волгоградской области // Фундаментальные исследования. 2014. № 6. С. 526530.
References
1. Grebnev V. P. Study of the uniformity of depth of tillage with positional and power regulation // Tractors and agricultural machines. 1977. № 5. P. 22-24.
2. Ivanov V. M., Mordvintsev N. V. Reaction of soybean cultivars to seeding rate and depth of primary tillage in the black soil of the Volgograd region // Fundamental research. 2014. № 6. P. 526-530.
в
:№ 1(29), 2018
Агроинженерия
17
3. Бледных В. В., Свечников П. Г. Экономичная глубина основной обработки почвы // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 10. С. 34-35.
4. Моделирование пружинных стоек комбинированных культиваторов / С. Е. Федоров, М. Н. Чаткин, А. С. Костин, С. Ю. Го-родсков // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 8. С. 41-44.
5. Патент на полезную модель 132940 Российская Федерация, МПК А01В 35/24. Культиватор на упругих стойках / М. Н. Чаткин, С. Е. Федоров, А. С. Костин ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГУ им. Н. П. Огарева. № 2013120755/13 ; за-явл. 06.05.2013 ; опубл. 10.10.2013, Бюл. № 28.
6. Седашкин А. Н., Федоров С.Е., Город-сков С. Ю. Влияние вынужденных колебаний на разрушение почвы // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. тр. / Мордов. ун-т. Саранск, 2010. С. 51-54.
7. Исследование упругой Б-образной стойки комбинированного культиватора / С. Е. Федоров, М. Н. Чаткин, А. С. Костин, Н. В. Колесников // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 3. С. 7-10.
8. Маратканов А. А., Устинов Н. Н., Смолин Н. И. Амплитудно-частотная характеристика гибкой трубчатой стойки культиватора // Вестник Курганской ГСХА. 2013. № 4 (8). С. 88-90.
9. Устинов Н. Н. Рабочий орган культиватора // Сельский механизатор. 2015. № 5. С. 30-31.
10. Кокошин С. Н. Культиваторные стойки с изменяемой жесткостью // Сельский механизатор. 2012. № 5. С. 8.
3. Blednykh V. V., Svechnikov P. G. Economical depth of primary tillage // Tractors and agricultural cars. 2014. № 10. P. 34-35.
4. Modeling of the spring mounting of the combined cultivator / S. E. Fedorov, M. N. Chat-kin, A. S. Kostin, S. Yu. Gorodskov // Tractors and agricultural machinery. 2013. № 8. P. 41-44.
5. The patent for useful model 132940 the Russian Federation, IPC A01B 35/24. The cultivator on the elastic struts / M. N. Chatkin, S. E. Fedorov, A. S. Kostin ; applicant and patent holder FSBEI HPE «MSU named after N. P. Ogarev». 2013120755/13 ; declared. 06.05.2013 ; publ. 10.10.2013, Bull. № 28.
6. Sedashkin A. N., Fedorov S. E., Gorodskov S. Yu. Influence of forced vibrations on the destruction of the soil // Energy-saving technologies and systems : intercollege. coll. of sc. art. Mordov. un-ty. Saransk : publishing house of Mordov. un-ty. 2010. P. 51-54.
7. Investigation of the elastic s-shaped rack of the combined cultivator / S. E. Fedorov, M. N. Chatkin, A. S. Kostin, N. V. Kolesnik-ov // Bulletin of Samara State Agricultural Academy. 2015. № 3. P. 7-10.
8. Martynov A. A., Ustinov N. N., Smolin N. I. The amplitude-frequency characteristic of the flexible tubular cultivator rack // Bulletin of Kurgan State Agricultural Academy. 2013. № 4 (8). P. 88-90.
9. Ustinov N. N. The working body of the cultivator// Rural machine. 2015. № 5. P. 30-31.
10. Kokoshin S. N. Arable strut with variable stiffness // Rural machine operator. 2012. № 5. P. 8.
