CC BY
0АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.31
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА КУЛЬТИВАТОРА С УПРУГИМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛАПЫ
Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;
Москалевич В.Ю., кандидат технических наук, доцент; Белов А. В., кандидат технических наук;
Дудченко П.С. , обучающийся; Шиков Д.К., обучающийся, Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского».
В данной статье представлен поиск решения задачи улучшения качества крошения почвы и снижения тягового сопротивления при поверхностной обработке почвы рабочими органами культиватора КПЭ-3,8, оборудованный модернизированными лапами с упругими элементами.
Ключевые слова: лапа культиватора, тяговое сопротивление, качество крошения почвы, прорезиненные вставки, упругие элементы.
JUSTIFICATION OF THE PARAMETERS OF THE CULTIVATOR'S WORKING BODY WITH ELASTIC FASTENING OF THE PAW
Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;
Moskalevich V.Y., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Belov A. V., Candidate of Technical Sciences;
Dudchenko P.S., group learner ; Shikov D.K., group learner, Agrotechnological Academy FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
This article presents the search for a solution to the problem of improving the quality of soil crumbling and reducing traction resistance during surface tillage by the working bodies of the cultivator KPE-3.8 and the results of the study of the upgraded cultivator paw with elastic elements.
Keywords: cultivator's paw, traction resistance, soil crumbling quality, rubberized inserts, elastic elements.
Введение. Применение вибрации в процессе обработки почвы обеспечивает реализацию периода от начала фазы смещения и деформации подрезанного слоя почвы до момента его разрушения, способствуя образованию мелких почвенных фракций. В свою очередь, столь интенсивное крошение обрабатываемого почвенного пласта почвы обеспечивает снижение усилия на разруше-
71
ние сравнительно небольших объемов почвенного пласта и, следовательно, уменьшению общего тягового сопротивления процесса обработки почвы куль-тиваторной лапой.
Представленная конструктивная схема культиваторной лапы кроме обеспечения оптимального качества крошения почвы и снижения тягового усилия культиватора позволяет, благодаря интенсификации колебаний культиваторной лапы в горизонтальной плоскости, обеспечивать процесс самоочищения от подрезанных растительных остатков рабочих поверхностей лапы культиватора КПЭ-3,8.
Данные лабораторных исследований процесса работы модернизированной культиваторной лапы свидетельствуют об эффективности предложенной конструкции.
Материал и методы исследований. Использование серийных рабочих органов культиваторов сопряжено с высокой энергоемкостью процесса обработки почвы, связано с тем, что принцип их работы основан на принципе разрушения почвы за счет деформации сжатия. Применение рабочих органов, использующих вибрационное воздействие на почву, обеспечивает снижение тягового усилия при разрушении почвенного пласта, благодаря деформации растяжения [1,2].
Из исследований известных ученых отечественной научной школы обработки почвы известно, что сопротивление почвы разрушению значительно снижается благодаря применению эффекта вибрации [3,4,5].
Известный русский ученый доктор технических наук Дубровский А.А., благодаря проведенным исследованиям, утверждал о том, что тяговое сопротивление почвообрабатывающего рабочего органа зависит от формы орудия. прочностных свойств почвы и от поступательной скорости его движения [6]. Процесс воздействия рабочего органа сельскохозяйственной машины на обрабатываемый слой почвы он описывал тремя фазами: 1 - трение рабочего органа о поверхность обрабатываемого почвенного слоя, так называемое первоначальное внедрение рабочего органа в обрабатываемую среду; 2 - период роста сопротивления рабочему органу со стороны обрабатываемого объема почвы, обусловленный началом смятия почвенного пласта; 3 - разрушение почвы, наступающее при её скалывании, и последующее преодоление сил инерции отбрасываемых частиц.
При работе орудия вторая и третья фазы повторяются поочерёдно, а первая присутствует в каждом из них поочерёдно. Частота Q колебаний тягового сопротивления определяется выражением:
где и - скорость движения;
l - длина скалывания почвы.
Благодаря исследования А.А. Дубровского [6] так же известно, что в сравнении с непрерывной вибрацией следует применять импульсное воздействие рабочими органами на обрабатываемый слой почвы. экономя расход энергии на процесс встряхивания обрабатываемого почвенного пласта.
72
Благодаря исследованиям доктора технических наук, профессора, академика МААО Бабицкого Леонида Федоровича установлено, что процесс деформации и разрушения почвы под действием рабочего органа состоит из двух фаз: сжатия и значительных сдвигов (разрушения) [7]. В первой фазе, при достижении предельных усилий скалывания блока почвы, начинается снижение действующего усилия и происходит разрушение почвы (рисунок 1).
Фаза 1В Фаза 2В Фаза 1В Фаза 2В
/ \ ^ ' /5-7 V ( \ // ^ \
б 81 Фаза 2П
Фаза 1П
с
Рисунок 1. График действующих усилий на обрабатываемую почву при пассивном и виброударном процессах
Исходя из приведенного графика следует, что механический импульс силы AS определяется разностью между виброударным и пассивным воздействием на обрабатываемый слой почвы. Использование вибрации приводит к снижению периода скола обрабатываемого почвенного пласта. За счет сокращения пути перемещения почвы в фазе сжатия до начала её скалывания уменьшается тяговое сопротивление рабочего органа и достигается интенсивное крошение почвы.
Исходя из приведенного на рисунке 1 графика следует, что в первой фазе сжатия почвы происходит уменьшение пути и времени перемещения почвенного пласта, благодаря разложению механического импульса силы кромкой лезвия культиваторной лапы, определяемого как:
с
1 = | Л.-л-пЧ . (2)
¿о
где Я - усилие скалывания почвы;
^ - время воздействия режущей кромки культиваторной лапы на обрабатываемый почвенный слой.
Следует сделать вывод о том, что чем короче время удара и меньше перемещение, тем большая сила развивается воздействующим рабочим органом на почву.
73
В качестве конструкции, удовлетворяющей вышеизложенным требованиям, была выбрана полезная модель №210070 «Рабочий орган культиватора», содержащая стойку и подвижно закрепленную на ней в нижней части посредством болтового соединения стрельчатую лапу. Лапа крепится на стойке при помощи двух болтов, на которых установлены упругие втулки (резиновые) диаметром, превышающим диаметр болтов в два раза. За счет разности переменного сопротивления почвы правого и левого крыльев лапы будут возникать крутильные колебания лапы в горизонтальной плоскости, что позволит лапе самоочищаться. Колебания в вертикальной плоскости культиваторной лапы позволят отклоняться от прямолинейной траектории движения во время контакта с каменистыми почвенными включениями.
Техническим результатом полезной модели является повышение долговечности лезвий и рабочих поверхностей лапы рабочего органа культиватора, снижение тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата, а так же обеспечение эффекта самоочищения лапы, благодаря обеспечению разности переменного сопротивления почвы правого и левого крыльев и возникновение крутильных колебаний в горизонтальной плоскости [8].
Рабочий орган культиваторного агрегата содержит стойку 1 и подвижно закрепленную на ней в нижней части культиваторную лапу 2 при помощи двух болтов 3, на которых установлены цилиндрические упругие втулки 4, диаметр которых в два раза превышает диаметр болтов крепления, и пружинные шайбы 5 с двух сторон (рисунок 2).
1 Г
3
Рисунок 2. Рабочий орган культиватора патент на полезную модель RU № 210070
В условиях научно-исследовательской лаборатории «Бионической агро-инженерии» был изготовлен и испытан натурный образец лапы культиватора (рисунок 3) с упругими элементами крепления к стойке (рисунок 4).
74
Рисунок 3. Модернизированная лапа культиватора КПЭ-3,8 с упругими элементами крепления
Рисунок 4. Упругие элементы крепления
Рисунок 5. Проведение двухфакторного эксперимента сравнения режимов работы серийной и экспериментальной лап культиватора КПЭ-3,8
Используя оборудование почвенного канала научно-исследовательской лаборатории «Бионической агроинженерии» Института «Агротехнологическая академия» был спланирован и проведен двухфакторный эксперимент, с изменяемыми факторами глубины и скорости движения серийной и модернизированной лап культиватора КПЭ-3,8 (рисунок 5), оснащенной упругими элементами крепления к стойке (таблица 1).
75
Таблица 1. Интервалы варьирования и уровни факторов при проведении эксперимента
Интервалы варьирования и уровни факторов Факторы исследования
Глубина обработки ^ см Скорость движения V, м/с
Нулевой уровень 12 1,0
Интервал варьирования Ах. 4 0,4
Нижний уровень X =-1 8 0,6
Верхний уровень X =+1 16 1,4
Кодировка х1 Х2
Используя тензометрическую станцию и программное обеспечение 2Е^аЬ были получены данные тягового сопротивления (рисунок 6) свидетельствующие о преимуществе модернизированной культиваторной лапы по сравнению с серийной лапой культиватора КПЭ-3,8 (таблица 2).
Г7 тлг;:'?цш>*1шс ^о«» а дан и. 1 (>»■ пион
10 И 1! I) И 1) К 17 II и я я а
Срицс
Рисунок 6. График изменения тягового сопротивления исследуемых лап культиватора
Проводились замеры качества крошения почвы экспериментальной и серийной лап культиватора (рисунок 7).
Результаты замеров качества крошения в условиях почвенного канала научно-исследовательской лаборатории «Бионической агроинженерии» исследуемых лап культиватора представлены в таблице 3.
76
Таблица 2. Сравнительные показатели тягового сопротивления серийной и экспериментальной лапами культиватора КПЭ-3,8_
Вид исследуемого рабочкго оргна Тяговое сопрпотивление Р, Н
Глубина обработки 0,8 м Глубина обработки 1,2 м Глубина обработки 1,6 м
Серийная лапа культиватора КПЭ-3,8 1812,9 2333,6 2634,2
1805,4 2314,5 2679,4
1829,1 2331,4 2606,9
Модернизимрован-ная лапа культиватора КПЭ-3,8 1694,3 2160,8 2416,7
1687,3 2143,1 2458,3
1709,4 2158,8 2391,7
Разница, % 7 8 9
Таблица 3. Сравнительные показатели крошения и глыбистости почвы серийной и экспериментальной лапами культиватора КПЭ-3,8
Степень крошения, % Глыбистость, %
№ опыта Серийный Эксперимен- Серийный Эксперимен-
рабочий тальный рабо- рабочий тальный рабо-
орган чий орган орган чий орган
1 61,53 74,23 6,71 3,27
2 64,15 78,97 7,73 3,92
3 61,49 75,18 8,69 4,85
Среднее 62,39 76,12 7,71 4,01
значение
А
Рисунок 7. Анализ качества крошения почвы после прохода серийной и экспериментальной культиваторных лап
77
Выводы. На основании известных зависимостей снижения тягового сопротивления и роста качества обработки почвы от применения вибрационного воздействия при обработке почвы спроектирована и исследована конструкция лапы культиватора с упругими элементами вибрационного воздействия на почву за счет ее переменного сопротивления.
В результате проведения серии лабораторных исследований было подтверждено снижение тягового сопротивления при использовании лапы культиватора с упругими элементами, по сравнению с серийными лапами культиватора КПЭ-3,8, в пределах от 7 до 9 %.
Степень крошения почвы виброударным рабочим органом увеличивается на 12-14%, а глыбистость уменьшается в 1,7-1,8 раза, по сравнению с обработанной серийными рабочими органами.
Список использованных источников:
1. Александров Е.В. Коэффициент восстановления или коэффициент потери относительной скорости [Текст] / Е.В. Александров // Совершенствование разработки угольных месторождений. - М.: Углетехиздат, 1959. - С.654-673.
2. Бабицкий Л.Ф. Деформация почвы в зависимости от формы рабочего органа [Текст] / Л.Ф. Бабицкий // Вюник сшьськогосподарсько! науки. -Кив: Урожай. - 1978. - №6. - С.84-87.
3. Дубровш В.О. Основи диферен-щацл засоб1в мехашзацл оранки [Текст].
- Чершвщ. - Кшв: НАУ, 1996 . - 64с.
4. Зоненберг Р.М. Разрушение почвы вибрирующим и невибрирующим деформаторами [Текст] / Р.М. Зонен-берг // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1968. - №3. - С.11-14.
5. Пановко Я. Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем [Текст].
- Москва : Физматгиз, 1960. - 193 с.
6. Дубровский А.А. Применение вибрации для снижения вибраций сельскохозяйственных машин [Текст] / А.А. Дубровский // Вестник Акаде-
References:
1. Alexandrov E.V. Coefficient of recovery or coefficient of loss of relative velocity [Text] / E.V. Alexandrov // Improving the development of coal deposits. - M.: Ugletekhizdat, 1959. -pp.654-673.
2. Babitsky L.F. Soil deformation depending on the shape of the working body [Text] / L.F. Babitsky // Visnik silskogospodarskoi nauki. - Kiev: Harvest. - 1978. - No. 6. - pp.84-87.
3. Dubrovin V.O. The basis of the diferenciacii zasobiv mechanizacii oranki [Text]. - Chernivtsi. Kyiv: NAU, 1996. - 64c.
4. Zonenberg R.M. Destruction of soil by vibrating and non-vibrating deformers [Text] / R.M. Zonenberg // Mechanization and electrification of socialist agriculture. 1968. - No. 3. -pp.11-14.
5. Panovko Ya. G. Internal friction during vibrations of elastic systems [Text]. - Moscow : Fizmatgiz, 1960. - 193 p.
6. DubrovskyA.A. The use of vibration to reduce vibrations of agricultural machines [Text] / A.A. Dubrovsky // Bulletin of the Academy of Sciences of the
78
мии наук СССР. - М. 1962. - №1. -С.59-61.
7. Бабицький Л.Ф. Бюшчш напря-ми розробки грунтообробних машин [Текст] / Л.Ф. Бабицький. - Кшв: Урожай, 1998. - 164с.
8. Патент на полезную модель № 210070 и1 Российская Федерация, МПК А01В 35/26. Рабочий орган культиватора : № 2021120256 : заявл. 08.07.2021 : опубл. 28.03.2022 / Л. Ф. Бабицкий, А. В. Белов, П.С. Дудченко, Д.К. Шиков ; заявитель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского".
USSR. - M. 1962. - No. 1. - pp.59-61.
7. Babitsky L.F. Bionichni for example rozrobki rruntoobrobnih machines [Text] / L.F. Babitsky. - Kiev: Harvest, 1998. - 164c.
8. Utility model patent No. 210070 U1 Russian Federation, IPC A01B 35/26. Cultivator working body : No. 2021120256 : application 08.07.2021 : publ. 28.03.2022 / L. F. Babitsky, A.V. Belov, P.S. Dudchenko, D.K. Shikov ; applicant Federal State autonomous educational institution of Higher education "V.I. Vernadsky Crimean Federal University".
Сведения об авторах:
Бабицкий Леонид Фёдорович -доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Технические системы в агробизнесе Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Агротехнологическая академия ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»;
Москалевич Вадим Юрьевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры Технические системы в агробизнесе Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Агротехнологическая академия ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского»;
Белов Александр Викторович -
Information about the authors:
Babitsky Leonid Fedorovich -Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Academy of Bioresources and Environmental Management of the Federal State Budgetary Educational Institution "V.I. Vernadsky KFU", e-mail: kaf-meh@ rambler.ru , Agrotechnological Academy of the Federal State Educational Institution of Higher Education "V. I. Vernadsky KFU"; Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia;
Moskalevich Vadim Yurievich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Academy of Bioresources and Environmental Management of the Federal State
l9
кандидат технических наук, старший лаборант кафедры кафедры Технические системы в агробизнесе Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler. ru, 295492, п. Аграрное, Агротехноло-гическая академия ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского»;
Дудченко Павел Сергеевич - обучающийся направления подготовки «Агроинженерия», группы Аи-б-о-191, Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернад-
ского», 295492, п. Аграрное, Агротех-нологическая академия ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского»;
Шиков Дмитрий Констатнти-нович - обучающийся направления подготовки «Агроинженерия», группы Аи-б-о-192, Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского», 295492, п. Аграрное, Агротехнологи-ческая академия ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского».
Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: kaf-meh@rambler.ru , Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia;
Belov Alexander Viktorovich -Candidate of Technical Sciences, Senior Laboratory assistant of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Academy of Bioresources and Environmental Management of the Federal State Budgetary Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: kaf-meh@rambler.ru , Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia;
Pavel S. Dudchenko - student of the direction of training "Agroengineering", Ai-b-o-191 Group, Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia;
Dmitry Shikov - student of the direction of training "Agroengineering", Ai-b-o-192 Group, Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
80
