Определение кинематических параметров рабочего органа орудия для укладки-раскладки плетей бахчевых культур Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.517:635.61

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ОРУДИЯ ДЛЯ УКЛАДКИ-РАСКЛАДКИ ПЛЕТЕЙ БАХЧЕВЫХ КУЛЬТУР

DETERMINATION OF BODY WORK TOOLS KINEMATIC PARAMETERS FOR SCOURGE-MELONS INSTALLATION LAYOUTS

М.Н. Шапров, доктор технических наук, профессор И.С. Мартынов, кандидат технических наук, доцент

M.N. Shaprov, I.S. Martynov

Волгоградский государственный аграрный университет

Volgograd State Agrarian University

Нижнее Поволжье, Кубань и Северный Кавказ являются основными зонами возделывания бахчевых культур. Получение высоких урожаев в значительной мере зависит от качества ухода за посевами. Для ухода за ними требуется выполнять ряд специфичных операций. В течение всего вегетационного периода должно быть проведено три-четыре междурядных обработки почвы и прополки сорняков в междурядьях и рядках. При третьей и особенно четвертой обработке плети разрастаются настолько, что затрудняют проезд агрегата по полю и возможность обработки почвы под плетями. Поэтому перед культивацией необходимо сместить плети с междурядья на рядок, а после обработки их надо сразу же разложить на междурядье. В статье рассмотрен процесс перемещения плетей рабочим органом и найдены условия, при которых этот процесс выполняется с их минимальным травмированием. Установлено, что плеть можно перемещать в заданное положение с минимальными повреждениями, если величина, определяющая расстояние от корня плети до точки контакта с ней рабочего органа, будет удовлетворять следующему условию nmin< n < nmax. а траектория движения рабочего органа будет циклоида. Качество укладки, а еще в большей мере раскладки плетей, зависит от формы этой циклоиды, которая. в свою очередь. зависит от отношения окружной скорости пальцев рабочего органа к поступательной скорости его перемещения.

Lower Volga, Kuban and the North Caucasus are the basics-governmental areas of cultivation of melons. Obtaining high yields is largely dependent on the quality of care for the crops. To care for them need to perform a number of specific operations. Throughout the growing season should be conducted three to four inter-row cultivation and weeding between the inter-rows and rows. In the third and especially the fourth processing lashes grow so much that impede travel unit on the field and the possibility of cultivation under the lashes. Therefore, it is necessary to shift to the cultivation of vines in the row of the aisle, and after processing they must be immediately broken down into the aisle. The article describes the process of moving the lashes working body and found the conditions under which this process is of so minimal injury. It was established that the whip can be moved to a predetermined position with minimal damage, if the value determined by the distance from the root of the lash to the point of contact with its working body, will meet the following condition nmin< n < nmax. and the trajectory of the working body movement will cycloid. Quality styling and even more so layouts lashes, depending on the shape of the cycloid, which in turn depends on the ratio of the circumferential speed of the working body of the fingers to move forward speed.

Ключевые слова: бахчевые культуры, плеть, укладка, раскладка, травмирование, траектория.

Key words: melons, whip, styling, layout, injury, trajectory.

Введение. Получение высоких урожаев при возделывании бахчевых в значительной мере зависит от качества ухода за посевами. Бахчевые культуры обладают

своеобразными формами, размерами и физико-механическими свойствами. Поэтому для ухода за ними требуется выполнять ряд специфичных операций. В течение всего вегетационного периода должно быть проведено три-четыре междурядных обработки почвы и прополки сорняков в междурядьях и рядках. При третьей и особенно четвертой обработке плети разрастаются настолько, что затрудняют проезд агрегата по полю и возможность обработки почвы под плетями. Поэтому перед культивацией необходимо сместить плети с междурядья на рядок, а после обработки их надо сразу же разложить на междурядье [6]. Раскладка плетей позволяет уменьшить взаимное затенение растений, улучшить их фотосинтетическую деятельность, а также снизить испарение влаги из почвы [1, 5]. Для частичного смещения плетей в междурядье с целью образования прохода трактора с культиватором разработан ряд плетеотводов как пассивного, так и активного типа [2]. В США выпускается машина для ориентации плетей поперед рядка при возделывании дыни [11]. С целью выявления возможности осуществления укладки плетей, обеспечивающей образование свободной зоны для эффективной работы культиватора, а также возможности их последующей раскладки, был рассмотрен процесс перемещения плетей рабочим органом и получены зависимости для определения кинематических параметров орудия, при которых эти процессы выполняются с минимальным травмированием плетей.

Материалы и методы. Повреждаемость плетей, являющаяся основным критерием, характеризующим операции их укладки и раскладки, зависит от многих факторов и, в первую очередь, от параметров динамического воздействия на плеть рабочего органа орудия. Вторым показателем, по которому оценивается качество выполнения этих операций, является размещение плетей в требуемом положении.

Целью работы было определить такие кинематические параметры орудия, как допустимая поступательная скорость движения и отношение окружной скорости пальцев рабочего органа к его поступательной скорости.

Результаты и обсуждение. Главной задачей кинематического расчета является определение допустимого значения скорости движения орудия V при соблюдении агротехнических требований повреждаемости плетей и коэффициента X, определяющего форму траектории движения рабочего органа и влияющего как на качество выполнения рабочего процесса, так и на повреждаемость плетей при выполнении этого процесса [10].

Вход пальцев в плети и выход из плетей сопровождается ударом по ним в момент касания пальца с плетью. Основной характеристикой удара является величина ударного импульса [6, 7]. Зная максимально допустимое значение ударного импульса G& с которым мы можем воздействовать на плеть, допустимая скорость плети после удара Уё определяется по формуле:

Уё = У0 + Оё/т, (1)

где т - масса плети, У0 - скорость плети до удара.

На основании закона изменения кинетической энергии при ударе получим, что допустимая скорость плети после удара Уё должна быть равна абсолютной скорости пальца У в момент удара, которая в свою очередь определяется как произведение абсолютной угловой скорости а пальца на расстояние Ь от точки контакта пальца с плетью до мгновенной оси вращения.

Абсолютная угловая скорость является векторной суммой угловой скорости а] вращения пальцев вокруг вертикальной оси и угловой скорости а2 вращения

пальцев вокруг лучей [3]. Так как векторы этих скоростей взаимно перпендикулярны, то ю = ю1 /sins.

Так как скорость движения орудия определяется по формуле v = m1R/X, то с учетом предыдущих выражений получим следующее уравнение для ее определения:

V = [R(Gg + mV0) sins]mbX, (2)

где R - радиус рабочего органа, s - угол между векторами угловых скоростей ю и ю2.

В расчетах допустимое значение скорости движения орудия определяем для случая входа пальцев в плети, так как в этом случае скорость плети до удара равна нулю. Формула (2) в этом случае имеет вид:

V = (RGg sins)mbX. (3)

Величина b, являющаяся расстоянием от точки удара до мгновенной оси вращения, определяется отдельно для процессов укладки и раскладки плетей.

Рассмотрим более подробно процессы раскладки плетей на междурядье и укладки к оси рядка.

Процесс раскладки плетей. После укладки плети находятся в строго ориентированном положении (рисунок 1). Палец Е, установленный на луче на расстоянии r от оси вращения, контактирует с плетью длиной L в точке С, удаленной от корня на расстоянии l. Движение орудия осуществляется со скоростью v.

Как уже выше отмечалось, плеть необходимо переместить по дуге окружности. Она после раскладки должна занять положение A 'Д.

Рисунок 1 - Схема для расчета коэффициента X при раскладке плетей

Значит траектория движения пальца ЕI должна проходить через точки С и А', а для этого необходимо определить соответствующее значение коэффициента X. В принятой нами системе координат запишем уравнение движения пальца в следующем виде:

XE = Rp/X + r simp, Ye= R + r cosf.

(4)

В этой же системе координат запишем и уравнение траектории движения точки А плети:

ХА = nR/X + ¡cosa0—Lcosa (5)

Ya= Lsina

Если точка контакта смещается до вершины плети в процессе ее укладки, то величина смещения равна A=L -l. В этом случае уравнение перемещения точки контакта вдоль плети в полярных координатах будет иметь следующий вид:

1г = Aff + l, (6)

U — Uq

где l и ai - текущие значения расстояния точки контакта от корня и угла, определяющего положение плети относительно оси рядка.

Так как траектория пальца Е и точки А плети пересекаются при определенных значениях угла a, то можно записать:

(Rp/X) + r sinp = (nR/X) + l cosa0 - L cosa, (7)

R + r cosp = L sina.

Решим эту систему относительно X, учитывая что ф= 2п - arccos[(Lsina - R)/r] и

(ф>п).

Тогда для процесса раскладки:

,, _ R{n—arccos[(L sina—R)/r]} /оч

Xp--• (о)

у 1 cosa0—L cosa—г sin[2n—arccos[(Lsina—R)/r]]

Основной переменной в этом уравнении является значение угла a, обуславливающего положение плети после раскладки.

Определим, как можно получить требуемое положение плети. Для этого найдем значение угла a из первого уравнения системы (7):

a = arccos{[(nR/X) - (Rp/X) - r sinp + l cosa] /L}• (9)

Обозначив (nR/X) - (Rp/X) - r sinp = l0 cosa0, получаем:

a = arccos[(l00 cosa0 + ¡ cosa) / L], (10)

где l0 - расстояние от корня до точки контакта плети с пальцем при условии, что в этом случае плеть после раскладки будет перпендикулярна оси рядка.

Учитывая также, что l = nL, l0 = nL, где n и n00 коэффициенты, показывающие, какую часть составляют l и lo, от полной длины плети L, получим:

a = arccos[(n -no)cosao], 0 < n (n0) < 1. (11)

При раскладке плетей палец рабочего органа может контактировать с плетью по всей ее длине, то есть коэффициент n может принимать любые значения от 0 до 1.

Определим минимальное и максимальное значение угла a. Из выражения (11) видно, что amin = a0 при условии n - n0 = 1. Это возможно, если n = 1, а n0 = 0. При других значениях no минимальное значение угла a можно определить по формуле:

amin = arccos[(1 - n0) cosa0]• (12)

Максимальное значение угла a будет при условии, что n - n0 = -1, то есть n = 0, а n0 = 1. В этом случае amax = п - a& Тогда amax можно определить по формуле:

amax = arccos[( 0 - n0) cosa0] =arccos[n0 cos(n - a0/)]• (13)

Из рисунка 2 также следует, что угол a0 равен:

a0 = arcsin[(R - r)/l] = arcsin[(R - r)/nL]• 4

Таким образом, начальное положение плети определяется выражением (14), а максимально возможное значение угла а при данных значениях Ь, Я, и г равно:

атах =п - aгcsin[(Я - г)/пЬ]. (15)

Построим для выражения (11) графики изменения значений угла (рисунок 2) а в зависимости от значений п и по [9].

Рисунок 2 - Номограмма для определения коэффициента 1

Задаваясь теперь определенными значениями углов amin и amax, определяющими положение плетей на междурядье после раскладки, находим величину n0, то есть мы можем определить значение ¡о, при котором угол a равен 900.

Зная эти величины, строим графики зависимости Xp для плетей различной длины. В результате получаем номограмму, порядок пользования которой следующий. Задаемся требуемым положением плетей на междурядье (значениями amin и amax). По этим данным и допустимым значениям n определяем величину n0, и, соответственно, значения коэффициента Xp для плети определенной длины.

Качество выполнения операции раскладки плетей зависит от того, происходит ли перемещение всех плетей на заданный угол. Если необходимо, чтобы все плети перемещались на угол a (рисунок 3), то точки контакта должны находиться для всех плетей на одном расстоянии от корня, то есть коэффициент n будет иметь одинаковое значение. Это возможно, если шаг лучей Sx равен шагу посадки растений Sn, то есть:

Sx = Sn = S/z = 2nR /Xz, (16)

где S - перемещение рабочего органа по полю за один его оборот, z - количество лучей на рабочем органе.

Отсюда:

z= 2nR / XSn. (17)

Когда длина плетей становится больше ширины междурядий, их необходимо перемещать на разные углы, чтобы они не переплетались в соседних рядках. Этого можно достигнуть определенной расстановкой лучей на рабочем органе.

Схема может быть разной, в зависимости от требуемого положения плетей. Пусть требуется, чтобы угол перемещения плетей плавно возрастал от минимально допустимого до максимально допустимого значения.

Рисунок 3 - Схема для определения шага расстановки лучей при раскладке плетей: а - перемещение плетей на один угол; б - перемещение плетей на разные углы;

1, 2, 3, .. .6 - точки контакта лучей с плетью

В этом случае рабочий орган должен контактировать с плетью по всей ее длине в пределах, определяемых выражением Птт < п <Птах.

Как следует из схемы (рисунок 3) число точек касания в этом случае равно i = 0,5х + 1. Плети будут перемещены в заданное положение, если 1 -1 шагов между лучами Sл будут меньше Sn, а следующие 1 -1 шагов больше Sn и так далее. В общем случае шаг лучей равен:

(птах—пт1п)^

Sn Sn ±

i-1

(18)

Процесс укладки плетей. Плеть перед укладкой может занимать одно из трех положений (рисунок 4). Самое неблагоприятное для укладки это положение Ш. В этом случае угол а »» 900. Для того, чтобы не было пропуска плети, зону укладки увеличиваем еще на 90°, то есть вся зона составляет угол от 270° до 90°.

Рисунок 4 - Схема укладки плетей

На участке 0...90 0 происходит перемещение плети из положения I в положение III, из которого плеть перемещается в положение IV на участке 270 °...360 0 траектории пальца следующим лучом. И хотя при укладке в этой зоне плеть перемещается относительно рабочего органа, что, конечно, повышает возможность ее повреждения, первая точка контакта пальца с плетью будет около вершины плети, что значительно уменьшает возможность ее отрыва или выдергивания.

ИЗВЕСТИЯ*

№ 1 (45), 2017

Таким образом, увеличение зоны укладки целесообразно только в том случае, если все плети располагаются под углом больше 90 0 к оси рядка. Во всех других случаев зона укладки находится на участке 270 °...360 0 траектории пальца. Все дальнейшие расчеты будем вести для этой зоны.

Аналогично процессу раскладки плетей для точек пересечения траекторий пальца рабочего органа и любой точки плети система уравнений в этой точке имеет вид

(Rp/X) + r sinp = (nR/X) + ¡0 cosa0 - ¡i cosa, (19)

R + r cosp = 2R -¡i sina.

Отсюда определим значение коэффициента Ху:

,, _ R arccos[(R-li sina)/r]

Ау--,

* l0 cosa0-li cosa-r sin[2n-arccos[(R-li sina)/r]

(20)

где угол ф= 2п - arccos [(R — lisina)/г] и (ж<ф<2ж).

При укладке плетей образуется участок пропуска ТВС (рисунок 4), на котором плеть не перемещается. Качество укладки тем выше, чем меньше высота ТС = аг этого участка, которая зависит как от величины коэффициента Ху, так и от числа лучей на рабочем органе.

Из уравнения (21) следует, что координаты точкиС равны:

Yc = R + r cosp, (21)

Xc = (Rp/X) + r sinp,

где r = R - ар, где ар - половина ширины полосы уложенных плетей.

Учитывая, что шаг лучей Бл = ТВ = (2nR/X) - Xc, получаем:

Sj, = (2ж - <р) (R/X) - г sirup. (22)

0,05 0,10 о,1б 0,20 о,25 аг~-п'аР

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента X от числа лучей г и высоты участка пропуска

аг (ар =0,2 м)

С достаточной точностью можно принять sinф ~ф - 2п. Значение угла ф определим из первого уравнения системы (21), учитывая, что Ус = 2R-а, где а= ар + аг:

ф = arccos[^ - а)/^ - ар)]. (23)

Тогда с учетом вышесказанного уравнение (22) примет вид:

S = {2п -arccos[(R - a)/(R - ap)]}[(R -RA - a^)/X], (24)

а выражение для определения Ху:

= R[2n(1-z)+ z arccos[(R - a)/(R - ар)]} у z (R - ap)[2n-arccos[(R - a)/(R - ар)]' ( )

Здесь переменными являются: число лучей z, ширина рядка ap, высота участка пропуска aг. Ее лучше выражать в долях ap , то есть aг = n'ap. Зависимости коэффициента Ху от этих величин приведены на рисунке 5.

Заключение. В результате, из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы.

Основными параметрами определяющими величину коэффициента Хр, являются значение угла а, обуславливающего положение плети после раскладки, и ее длина. Когда длина плетей становится больше ширины междурядий, их необходимо перемещать на разные углы, чтобы они не переплетались в соседних рядках. Этого можно достигнуть определенной расстановкой лучей на рабочем органе.

При укладке плетей величина коэффициента Ху зависит от числа лучей z, ширины рядка ap, высоты участка пропуска aг. Если рабочий орган будет иметь не менее шести лучей, то для того, чтобы аг = 0,03.. .0,05 м, коэффициент Ху должен быть в пределах 2,3...3,0 для ар = 0,2 м и Ху = 2,5.3,5 для ар = 0,4 м. Такое же значение аг у рабочего органа с восемью лучами можно получить при значениях коэффициента Ху, соответственно, Ху =1,4.2,2 (ар =0,2 м) и Ху =1,4.2,0 (ар = 0,4 м).

Библиографический список

1. Авакян, А.Г. Биологические особенности роста и развития важнейших овощных и бахчевых культур [Текст]: автореферат дис. ... докт. биол. наук / А.Г. Авакян. - Ереван, 1964, - 42 с.

2. Белик, В.Ф. Бахчевые культуры [Текст] / В.Ф. Белик. - М.: Колос, 1975. - 270 с.

3. Бать, М.И. Теоретическая механика в примерах и задачах [Текст] / М.И. Бать, Г.Ю. Джанелидзе, Г.Ю. Кельзон . - 8-е изд., перераб. - М.: Наука, 1991. - 640 с.

4. Иванов, М.Н. Детали машин [Текст]/ М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. - М.: Высшая школа, 2008. - 408 с.:, ил.

5. Колебошина, Т.Г. Новые агроприемы возделывания арбуза и их влияние на урожайность и качество плодов арбуза в условиях Волгоградского Заволжья [Текст] / Т.Г. Колебоши-на, С.И. Белов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 3 (39). - С. 60-64.

6. Комплексная механизация бахчеводства на основе инновационных технологий [Текст] / М.Н. Шапров, А.Н. Цепляев, В.Г. Абезин, В.А. Цепляев // Известия Нижневолжского агроинженерного комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2008. - №4. -С. 172-178.

7. Пановко, Я.Г. Введение в теорию механического удара [Текст] / Я.Г. Пановко. - М.: Наука, 1977. - 232 с.

8. Рекач, В.Г. Руководство к решению задач прикладной теории упругости [Текст] /

B.Г. Рекач. - М.: Либроком, 2010. - 216 с.

9. Хованский, Г.С. Основы номографии [Текст] / Г.С. Хованский. - М.: Наука, 1976. - 351 с.

10. Шапров, М.Н. Обоснование возможности укладки-раскладки плетей при уходе за бахчевыми культурами [Текст] / М.Н. Шапров, И.С. Мартынов // Известия Нижневолжского агроинженерного комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - №2. -

C. 248-255.

11. Grounds, R. Machines for melons the big step forward. / R. Grounds// W. Grower Shipper. - 1992. - Vol 43. -№8.- P.18-19.

Reference

8

1. Avakyan, A. G. Biologicheskie osobennosti rosta i razvitiya vazhnejshih ovosch-nyh i bahchevyh kul'tur [Tekst]: avtoreferat dis. ... dokt. biol. nauk / A. G. Avakyan. - Erevan, 1964, - 42 s.

2. Belik, V. F. Bahchevye kul'tury [Tekst] / V. F. Belik. - M.: Kolos, 1975. - 270 s.

3. Bat', M. I. Teoreticheskaya mehanika v primerah i zadachah [Tekst] / M. I. Bat', G. Yu. Dzhanelidze, G. Yu. Kel'zon . - 8-e izd., pererab. - M.: Nauka, 1991. - 640 s.

4. Ivanov, M. N. Detali mashin [Tekst]/ M. N. Ivanov, V. A. Finogenov. - M.: Vysshaya shko-la, 2008. - 408 s.:, il.

5. Koleboshina, T. G. Novye agropriemy vozdelyvaniya arbuza i ih vliyanie na urozhajnost' i kachestvo plodov arbuza v usloviyah Volgogradskogo Zavolzh'ya [Tekst] / T. G. Koleboshina, S. I. Belov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kom-pleksa: nauka i vysshee profes-sional'noe obrazovanie. - 2015. - № 3 (39). - S. 60-64.

6. Kompleksnaya mehanizaciya bahchevodstva na osnove innovacionnyh tehnolo-gij [Tekst] / M. N. Shaprov, A. N. Ceplyaev, V. G. Abezin, V. A. Ceplyaev // Izvestiya Nizh-nevolzhskogo agroin-zhenernogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazo-vanie. - 2008. - №4. - S. 172-178.

7. Panovko, Ya. G. Vvedenie v teoriyu mehanicheskogo udara [Tekst] / Ya. G. Panovko. - M.: Nauka, 1977. - 232 s.

8. Rekach, V. G. Rukovodstvo k resheniyu zadach prikladnoj teorii uprugosti [Tekst] / V. G. Rekach. - M.: Librokom, 2010. - 216 s.

9. Hovanskij, G. S. Osnovy nomografii [Tekst] / G. S. Hovanskij. - M.: Nauka, 1976. - 351 s.

10. Shaprov, M. N. Obosnovanie vozmozhnosti ukladki-raskladki pletej pri uhode za bahchevymi kul'turami [Tekst] / M. N. Shaprov, I. S. Martynov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agroin-zhenernogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe ob-razovanie. - 2016. - №2. - S. 248-255.

11. Grounds, R. Machines for melons the big step forward. / R. Grounds// W. Grower Shipper. - 1992. - Vol 43. -№8. -- P. 18-19.

E-mail: [email protected]