CC BY
0УДК 631.313.3 Статья поступила 31.05.2024
4.3.1. Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса РО! 10.35524/2227-0280_2024_04_58
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА
ЦЕПНОЙ БОРОНЫ
^С.Д. Шепелев,
доктор технических наук, профессор, проректор по научной и инновационной работе, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г Челябинск
М.В. Пятаев,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технологии и механизации животноводства», ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г Челябинск
А.П. Зырянов,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технологии и механизации животноводства», ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г Челябинск
А.С. Шепелёв,
соискатель кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технологии и механизации животноводства», ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г. Челябинск
Ключевые слова: цепная борона, зубоцепной рабочий орган, рыхлительный зуб, кинематика рабочего органа, глубина обработки, обработка почвы, копирование неровностей рельефа, траектория перемещения, калибр цепи, параметрическое уравнение
Key words: chain harrow, chain implement, loosening tooth, implement kinematics, working depth, tillage, soil cultivation, copying irregularities, trajectory, chain gauge, parametric equation
Почвообрабатывающие машины с зубоцеп-ными рабочими органами на сегодняшний день находят все большее распространение в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. От традиционных машин их выгодно отличает хорошая агротехническая проходимость на стерневых фонах, в том числе и после грубостебельных культур. По этой причине данные машины широко применяются в технологиях минимальной и нулевой обработки почвы. Также зубоцепные рабочие органы хорошо приспособлены к копированию неровностей рельефа поля, что особенно важно при ранневесенней обработке почвы. Вместе с тем отмечаются и отдельные недостатки цепных борон, одним из наиболее существенных является недостаточная глубина обработки почвы. В исследованиях [1, 2] связывают данный недостаток с нерациональным расположением на цепных шлейфах рыхлительных зубьев. Наибольшее распространение, в том числе и на цепной бороне Двуреченского, получило «боковое» расположение зубьев на звеньях. При «боковом» рас-
положении рыхлительные зубья располагаются на крепежной пластине, которая приварена снаружи звена. В подобном случае, согласно данным В.Л. Астафьева, невозможно обеспечить достаточную глубину обработки [3], в особенности на задернелых участках, а также на полях с повышенной твердостью почвы. В этой связи разработан зубоцепной рабочий орган с «центральным» расположением рыхлительных зубьев [4, 5]. При «центральном» расположении рыхлительные зубья размещены на пластине внутри звена.
Предполагается, что «центральное» расположение (рис. 1) при перекатывании шлейфа обеспечит совмещение линии действия силы тяжести и оси рыхлительного зуба во время его вертикального расположения. Это позволит создать условия для максимального заглубления зубьев в почву.
Принимая во внимание высокую практическую актуальность цепных борон, исследования, направленные на совершенствование их рабочих органов, представляют значительный интерес.
цепного шлейфа в процессе работы совершают одновременно и поступательное, и вращательное движение. Важной особенностью в характере перемещения цепного шлейфа является то, что его условный центр движется по некоторой кривой. На основе исследований Ф.М. Канарева [6], данную кривую с некоторыми допущениями можно определить как укороченную циклоиду (рис. 2).
Таким образом, представив движение условного центра Ос в плоскости Х1О^1, которая перпендикулярна оси вращения шлейфа (рис. 2), уравнение, описывающее укороченную циклоиду, можно записать следующим образом:
\2Х = Я0 + - (Л)соз со
где Н0 - радиус окружности, образующей циклоиду, м; t - промежуток времени, с; и>0 -угловая скорость радиуса образующей окружности, с-1; d - расстояние от оси координат 01Х1 до траектории, м.
Параметр d можно определить исходя из анализа циклоиды, которая описывается образующей окружностью радиуса R0 (рис. 3). При величине угла АОкХКОк1 =ср = п /2 касательная оуо2 к циклоиде, проведенная в области, близкой к концу арки, будет иметь угол наклона к оси О1Х1, равный в = п/4. Исходя из этого, параметр d может быть определен из выражения (2):
Рис. 2. Схема перемещения цепного шлейфа
Рис. 1. Схема зубоцепного рабочего органа с «центральным» расположением рыхлительных зубьев:
1 - звено; 2 - пластина; 3 - гайка;
4 - рыхлительный зуб
Цель исследований: рассмотреть кинематику движения зубоцепного рабочего органа и определить его конструкционные параметры.
Методы исследования. Технологический процесс обработки почвы осуществляется во время вращения цепного шлейфа. Вращение в свою очередь происходит при взаимодействии рыхлительных зубьев с почвой. Звенья
arctg
(d - R0 )sin со0t R0 - (R0 -d)cos<a0t
n ~4
(2)
Преобразовав (2), окончательно получим зависимость для определения d:
(5)
d =
+ sm со 0t - cos сй
oO
sin co0i - cos co0i
Исходя из схемы (рис. 3), радиус R0 образующей циклоиду окружности и длина R рыхли-тельного зуба связаны друг с другом выражением (4), а их угловые скорости выражением
(5):
где ш - угловая скорость рыхлительного зуб (3) а, с-1; Vа - скорость движения агрегата, м/с. С учетом (4) и (5), а также принимая во внимание наличие поступательного движения рабочего органа, уравнение (1) можно переписать следующим образом:
X, = VJ +
R sin
d
sin 4coi
R sin
2,
R sin ^
d
(6)
cos 4coi
Рис. 3. Траектория движения «условного» центра цепного шлейфа
где R - длина рыхлительного зуба, м; Vа -скорость движения агрегата, м/с.
Для лучшего рыхления почвы и измельчения пожнивных остатков ветвь цепного шлейфа установлена на машине под некоторым углом а к направлению движения агрегата. В этой связи рассмотрим перемещение звеньев цепного шлейфа в системе координат OXYZ (рис. 4), направив ось ОХ параллельно направлению перемещения агрегата.
С учетом положения цепного шлейфа (рис. 4) для вывода уравнения, описывающего траекторию движения рыхлительного зуба, используем следующую схему (рис. 5).
Рис. 4. Положение цепного шлейфа по отношению к направлению движения
Абсолютное перемещение рыхлительного зуба (точки К/) можно представить в системе координат OXYZ следующим образом:
по оси ОХ: X = V ■ г + Хп + X ■ (7)
по оси
(8)
по оси OZ■■ Z = z0 + z + R COS у - (9)
где x0, y0, z0 - проекции точки Ос на оси ОХ, OY и Oz, соответственно, м; x, y, z - проекции точки К на оси ОХ, OY и OZ, соответственно, м.
Рис. 5. Расчетная схема к выводу уравнения фрагментов траектории зуба рабочего органа
Таким образом, параметрическое уравнение абсолютного перемещения рыхлительного зуба будет иметь следующий вид:
X = vj + R cos a sin wt +
R sin ^
- d
cos a sin 4<x> t
Y = R sin a sin « t +
R sin
Ф
- d
sin a sin 4ю/
. (11)
Z = R cos со t + R sin — | 1 - —
л
R sin 5-
■- d
cos A(ùt
Используя систему параметрических уравнений (11), возможно описать траекторию движения рыхлительного зуба в любой произвольный момент времени при его различных конструкционных и технологических параметрах.
Результаты исследований и обсуждение. На основе системы уравнений (11) смоделируем перемещение рыхлительного зуба в плоскости OXZ (рис. 6). Полученные траектории имеют вид волнистых циклоид, их форма в значительной степени зависит от длины R рыхлительного зуба. При увеличении R можно отметить рост длины арок получаемых циклоид, что практически может выражаться в изменении интенсивности воздействия рабочего органа на почву, - в данном случае она снижается.
Важным показателем, характеризующим качество работы зубоцепного рабочего органа, является длина образуемых рыхли-тельными зубьями лунок в почве. Обозначив длину как отрезок lcd, рассмотрим ее изменение в проекции на плоскость OYZ (рис. 6, 7). На длину lcd влияет параметр R, а также угол установки а шлейфа к направлению движения. Задав постоянными глубину обработки а = 0,04 м, угол установки а = 60° цепного шлейфа, диаметр поперечного сечения рых-лительного зуба dk = 0,02 м и скорость агрегата va = 5 м/с, рассмотрим изменение lcd. При увеличении длины R рыхлительного зуба от 0,15 м до 0,25 м lcd возрастает с 0,18 м до 0,24 м, соответственно (рис. 7). Также можно наблюдать, что при постоянной величине R = 0,15 м увеличение угла а с 30 до 60o сопровождается повышением lcd с 0,12 м до 0,18 м (рис. 8).
Рис. 6. Траектория перемещения рыхлительного зуба в плоскости OXZ при различных значениях длины R рыхлительного зуба
Рис. 7. Траектория перемещения рыхлительного зуба в плоскости OYZ при различных значениях длины R рыхлительного зуба
Рис. 8. Траектория перемещения рыхлительного зуба в плоскости OYZ при различных значениях угла установки а цепного шлейфа
Из анализа кинематики движения рабочего органа следует, что качество обработки почвы определяется длиной R рыхлительных зубьев и углом установки а шлейфа. При этом необходимо заметить, что одновременно при увеличении R наблюдается как рост 1сф так и снижение интенсивности воздействия рыхлительных зубьев на почву (рис. 5), в связи с этим, учитывая рекомендуемую глубину обработки почвы для цепных борон до 6,0 см, наиболее предпочтительной будет длина R зуба до 0,15 м, поскольку в данном случае обеспечивается максимальная длина лунки при минимально возможном R.
Для определения рациональной величины угла установки а необходимо рассмотреть взаимное расположение полос почвы, обработанных рыхлительными зубьями, расположенными на соседних звеньях шлейфа (рис. 9). Расстояние между взаимно перпендикулярно расположенными осями рыхлительных зубьев соседних звеньев определяется параметрами используемой цепи шлейфа и может быть подсчитано по следующей зависимости:
(12)
где 1з - длина звена цепи, м; d3 - калибр цепи, м.
Проекция 1о на ось OY, перпендикулярная направлению движения (рис. 8), может быть определена как:
/ =(/ -2d )cosa ■ (13)
ai \з з /
Таким образом, качественная обработка почвы цепным шлейфом возможна при соблюдении следующего условия:
(14)
При выполнении неравенства (14) полосы, обработанной рыхлительными зубьями, почвы будут располагаться либо непосредственно рядом друг с другом, либо иметь некоторое перекрытие 5 (рис. 8). Исходя из схемы, целесообразно определить такие параметры угла установки а цепного шлейфа и используемой для его изготовления цепи, чтобы не образовывалось огреха и чрезмерно широкого перекрытия 5 между полосами обработанной почвы шириной 1с& В первом случае очевидным следствием является снижение равномерности обработки почвы. Во втором случае - повышение тягового сопротивления рабочего органа, а также вероятно сволакивание почвы.
Характер изменения расстояния между взаимно перпендикулярно расположенными осями рыхлительных зубьев 1оц и полосами обработанной почвы в зависимости от угла установки а при различных параметрах звеньев шлейфа можно проанализировать на примере следующего графика (рис. 10). Необходимо отметить, что конструкционные параметры цепей, используемых для изготовления рабочих органов, взаимоопределяются друг другом, поэтому для характеристики цепи можно выделить один из них, в частности, калибр цепи dз.
Из полученного графика можно резюмировать, что наиболее предпочтительно для цепного шлейфа использовать цепь с калибром dз в диапазоне от 34 до 38 мм. В данном случае при углах установки а = 40...45° имеет место выполнение условия (14) в предполагаемом диапазоне глубин обработки почвы а, таким образом, возможно обеспечение равномерной (без огрехов) обработки почвы.
Выводы.
1. Получена система параметрических уравнений, позволяющая построить траектории перемещения рыхлительных зубьев зубоцеп-ного шлейфа бороны. Описываемые рыхли-тельными зубьями траектории представляют собой волнистые циклоиды.
2. Теоретически установлены рациональные конструкционные параметры зубоцепно-го рабочего органа. Выявлено, что равномерное и интенсивное рыхление почвы возможно при углах установки цепного шлейфа а = 40.45° и длине рыхлительных зубьев R = 0,15 м. Для изготовления рабочего органа наиболее подходит цепь с калибром dз = 34.38 мм.
Исследование выполнено в соответствии с планом научных работ научных организаций и образовательных организаций высшего образования, осуществляющих научные исследования за счет средств федерального бюджета. Наименование научной темы: Обоснование конструкционных параметров и режимов работы цепной бороны для повышения эффективности процесса мульчирования почвы в условиях Южного Урала (шифр: 0210012024). Соглашение о предоставлении субсидии из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственного задания на оказание государственных услуг (выполнение работ) от 26.01.2024 № 082-03-2024-245).
а б
Рис. 9. Схема к определению угла установки цепного шлейфа и параметров цепи
(а - при !са = 1ос ; б - при !са > 1ос)
1сФ 1о,г м 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06
1 1/1=5 см
4 а = 4 см
/ ^7=3 см
=42 мм
<=38 мм
<=34 N |м
<=32 мк
30 45 60 град.
Рис. 10. Зависимость расстояния 1оц и ширины полосы 1сс1 от угла установки а
Библиографический список
1. Курач, А. А. Широкозахватная ротационная зубовая цепная борона для ранневесен-ней обработки почвы / А. А. Курач, М. А. Аман-таев, В. В. Рыбин. - Текст : непосредственный // Пути реализации Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017-2025 годы. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Курганской области, с. Лесниково, Кетовский район, Курганская обл., 19-20 апреля 2018 года / под общей редакцией С. Ф. Сухановой. - Лесниково : Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева, 2018. -С. 1043-1047. - EDN XNEFWP.
2. Амантаев, М. А. Повышение эффективности применения цепных зубовых рабочих органов на ранневесеннем бороновании / М. А. Амантаев, В. В. Рыбин. - Текст : непосредственный // Актуальные проблемы АПК и инновационные пути их решения. Сборник статей по материалам международной научно-практической конференции, Курган, 15 апреля 2021 года. - Курган : Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева, 2021. - С. 313-317. -БОЫ УБХХБР.
3. Астафьев, В. Л. Исследование работы ротационного зубового цепного рабочего органа для ранневесеннего боронования / В. Л. Астафьев, А. А. Курач, М. А. Амантаев. - Текст : непосредственный // АПК России. - 2019. -Т. 26. - № 2. - С. 171-176. - EDN TUDOSG.
4. Патент на полезную модель № 214193 и1 Российская Федерация, МПК А01В 21/04, А01В 23/02, А01В 31/00. Рабочий орган бороны цепной : № 2022118984:заявл.11.07.2022 : опубл. 14.10.2022 / Шепелев С. Д., Кравченко Е. Н., Пятаев М. В. [и др.]. - EDN ACRCGR. -Текст : непосредственный.
5. Шепелев, С. Д. Модернизация рабочего органа цепной бороны / С. Д. Шепелев, М. В. Пятаев, А. С. Шепелев. - Текст : непосредственный // Сельский механизатор. - 2023. -№ 3. - С. 14-15. - DOI 10.47336/0131-73932023-3-14-15. - EDN AESTOE.
6. Канарев, Ф. М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия / Ф. М. Кана-рев. - Москва : Машиностроение, 1983. - 144 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Kurach, A. A. SHirokozahvatnaya rotacion-naya zubovaya cepnaya borona dlya ranneve-sennej obrabotki pochvy / A. A. Kurach, M. A. Amantaev, V. V. Rybin. - Tekst : neposredstvennyj // Puti realizacii Federal'noj nauchno-tekh-nicheskoj programmy razvitiya sel'skogo hozyaj-stva na 2017-2025 gody. Materialy mezhdu-narodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj 75-letiyu Kurganskoj oblasti, s. Lesnikovo, Ketovskij rajon, Kurganskaya obl., 19-20 aprelya 2018 goda / pod obshchej redakciej S. F. Suhanovoj. - Lesnikovo : Kurganskaya gosudarstvennaya sel'skohozyajstvennaya akademiya imeni T. S. Mal'ceva, 2018. - S. 10431047. - EDN XNEFWP.
2. Amantaev, M. A. Povyshenie effektivnosti primeneniya cepnyh zubovyh rabochih organov na rannevesennem boronovanii / M. A. Amantaev, V. V. Rybin. - Tekst : neposredstvennyj // Ak-tual'nye problemy APK i innovacionnye puti ih resheniya. Sbornik statej po materialam mezhdu-narodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Kurgan, 15 aprelya 2021 goda. - Kurgan : Kurganskaya gosudarstvennaya sel'skohozyaj-stvennaya akademiya imeni T. S. Mal'ceva, 2021. - S. 313-317. - EDN VBXXSR.
3. Astaf'ev, V. L. Issledovanie raboty rota-cionnogo zubovogo cepnogo rabochego organa dlya rannevesennego boronovaniya / V. L. Astaf'ev, A. A. Kurach, M. A. Amantaev. - Tekst : neposredstvennyj // APK Rossii. - 2019. - T. 26.
- № 2. - S. 171-176. - EDN TUDOSG.
4. Patent na poleznuyu model' № 214193 U1 Rossijskaya Federaciya, MPKA01B 21/04, A01B 23/02, A01B 31/00. Rabochij organ borony ce-pnoj : № 2022118984 : zayavl. 11.07.2022 : opubl. 14.10.2022 / SHepelev S. D., Kravchenko E. N., Pyataev M. V. [i dr.]. - EDN ACRCGR. -Tekst : neposredstvennyj.
5. SHepelev, S. D. Modernizaciya rabochego organa cepnoj borony / S. D. SHepelev, M. V. Pyataev, A. S. SHepelev. - Tekst : neposredstvennyj // Sel'skij mekhanizator. - 2023. - № 3.
- S. 14-15. - DOI 10.47336/0131-7393-2023-314-15. - EDN AESTOE.
6. Kanarev, F. M. Rotacionnye pochvoob-rabatyvayushchie mashiny i orudiya / F. M. Kanarev. - Moskva : Mashinostroenie, 1983. - 144 s. - Tekst : neposredstvennyj.
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ Контактная информация: Шепелёв Сергей Дмитриевич
проректор по научной и инновационной работе, ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: shepelev2@yandex.ru
Пятаев Максим Вячеславович
доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технология и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: 555maxim@mail.ru
Зырянов Антон Павлович
доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технология и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: mtp-chgaa@mail.ru
Шепелёв Александр Сергеевич
соискатель кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технология и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: A1Shep@ya.ru
Contact Information: Shepelev Sergey Dmitrievich
Departament of Operation of the machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry, 75 Lenin Avenue, Chelyabinsk 454080 E-mail: shepelev2@yandex.ru
Pyataev Maxim Vyacheslavovich
Ph.D South Ural State Agrarian University Department of Operation of the machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry, 75 Lenin Avenue, Chelyabinsk 454080 E-mail: 555maxim@mail.ru
Zyryanov Anton Pavlovich
Ph.D South Ural State Agrarian University Department of Operation of the machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry, 75 Lenin Avenue, Chelyabinsk 454080 E-mail: mtp-chgaa@mail.ru
Shepelev Alexander Sergeevich
Postgraduate student South Ural State Agrarian University Department of Operation of the machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry, 75 Lenin Avenue, Chelyabinsk 454080 E-mail: A1Shep@ya.ru
