CC BY
2
Научная статья УДК 621.91.01
DOI: 10.52691/2500-2651-2023-97-3-46-51
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЁМКОСТИ ПРИВОДА РЕЖУЩЕГО АППАРАТА 1Степан Иванович Козлов, 1Виктор Иосифович Коцуба, 2Василий Михайлович Кузюр, 2Сергей Иванович Будко
1УО «Белорусская государственная сельскохояйственная академия», Могилевская обл., г. Горки, Республика Беларусь 2ФГБОУ ВО Брянский ГАУ, Брянская область, Кокино, Россия
Аннотация. Режущий аппарат нормального резания с одинарным пробегом ножа, являясь лучшим по качеству выполнения технологического процесса, надежности, металло - и энергоемкости, способен обеспечить качественный срез зерновых культур с возрастанием поступательной скорости при пропорциональном увеличении числа двойных ходов ножа. Увеличение числа двойных ходов ножа режущего аппарата приводит к повышению динамической нагру-женности звеньев приводного механизма инерционными силами. При этом следует уделить серьезное внимание уравновешиванию силы инерции ножа. Существенную пользу в этом вопросе может оказать создание искусственной колебательной системы: постановкой упругого элемента определенной жесткости между ножом и пальцевым брусом. В этом случае кинематическая цепь привода разгружается от действия силы инерции, которые будут передаваться на раму. Анализ работы режущего аппарата на повышенном режиме выявил возможность увеличения частоты вращения приводного вала выше резонансного числа двойных ходов ножа с введением упругих элементов - при работе механизма даже на зарезонансном режиме (600 двойных ходов ножа) нагрузка на колебателе составила всего 612 Н, что вдвое меньше нагрузки при работе свободного механизма на минимальном режиме (400 двойных ходов ножа) -1311 Н.
Ключевые слова: режущий аппарат, жатка, энергоёмкость, пружина.
Для цитирования: Козлов С.И., Коцуба В.И., Кузюр В.М., Будко С.И. Повышение производительности и снижение энергоёмкости привода режущего аппарата // Вестник Брянской ГСХА. 2023. № 3 (97). С. 46-51 http//:doi.org/10.52691/2500-2651-2023-97-3-46-51
Original article
PERFORMANCE IMPROVEMENT AND REDUCTION ENERGY CONSUMPTION
OF THE CUTTING MACHINE DRIVE 1 1 2 2 Stepan I. Kozlov, Viktor I. Kocuba, Vasilii M. Kuzyr, Sergei I. Budko
1Belarusian State Agricultural Academy, Mogilev Oblast, Gorki, Republic of Belarus 2Bryansk State AgrarianUniversity, Bryansk Oblast, Kokino, Russia
Abstact. The cutting machine of normal cutting with a single knife run, being the best in terms of the quality of the technological process, reliability, metal and energy consumption, is able to provide a high-quality cut of grain crops with an increase in translational speed with a proportional increase in the number of double knife strokes. An increase in the number of double strokes of the knife of the cutting apparatus leads to an increase in the dynamic loading of the links of the drive mechanism by inertial forces. At the same time, serious attention should be paid to balancing the inertia force of the knife. A significant benefit in this matter can be provided by the creation of an artificial oscillatory system: by setting an elastic element of a certain rigidity between a knife and a finger bar. In this case, the kinematic chain of the drive is unloaded from the action of the inertia force, which will be transmitted to the frame. Analysis of the operation of the cutting device in the elevated mode revealed the possibility of increasing the speed of the drive shaft above the resonant number of double strokes of the knife with the introduction of elastic elements - when the mechanism is operating even in the resonant mode (600 double strokes of the knife), the load on the oscillator was only 612 N, which is half the load when the free mechanism is operating in the minimum mode (400 double strokes knife moves) -1311 N.
Key words: cutting machine, header, energy intensity, spring.
For citation: Kozlov S.I., Kocuba V.I., Kuzyr V.M., Budko S.I. Performance improvement and reduction energy consumption of the cutting machine drive. Vestnik Bryanskoy GSKHA = Vestnik of the Bryansk State Agricultural Academy. 2023; (3): 46-51 (In Russ.). http//:doi.org/10.52691/2500-2651-2023-97-3-46-51.
Введение. Постановка задачи. Результаты исследований конструкций приводных механизмов режущего аппарата жаток свидетельствуют о большом их разнообразии. Наиболее перспективным является механизм качающейся шайбы, обеспечивающий малую энергоемкость привода [1].
При создании скоростных режущих аппаратов выгоднее увеличивать число двойных ходов ножа. Это направление требует наименьших изменений в конструкции существующего аппарата и конструкциях уборочных машин в целом. Следовательно, в большей степени сохраняются наиболее отработанные и проверенные долголетней эксплуатацией элементы конструкций, а также не нарушается взаимосвязь массовых деталей режущего аппарата.
Результаты эксперимента. Теоретическое исследование основных кинематических параметров режущего аппарата позволило определить, что нож, приводимый в действие механизмом качающейся шайбой, совершает не чисто гармонические колебания [2, 3].
Перемещение х, скорости vx и ускорение jx ножа режущего аппарата от sin а ± sin ß = i i _
2 sin - (а ± ß) cos - (а + ß) средины хода можно выразить через следующие зависимости:
1
х =-j- г • sin(w • t); (1)
cos ат (1 + fc2 • sin2(w • t))2 1
vx =-3 r • ш • cos(w • t); (2)
cos ат (1 + fc2 • sin2(w • t))2
т
1 + 3k2 - 2k2 • sin2(w • t) 2
jx =-5 г • ш • sin(w • t), (3)
cos ат (1 + fc2 • sin2(w • t))2 где r - наибольшее перемещение ножа от середины хода; cos - частота вращения приводного вала; t - время работы;
ат - угол установки оси шайбы к оси ведущего вала; k = t □ q □ ат
Для определения жесткости уравновешивающей пружины воспользуемся условием уравновешивания любых механизмов:
^ + dqf = 0 (4)
где T, П - кинетическая и потенциальная энергия механизма; qi - обобщенная координата
По этому условию для уравновешивания силы инерции жесткость упругого элемента с линейной характеристикой должна соответствовать следующей зависимости: с =m-w2
При установившемся движении разность Рр силы инерции и Pj упругости в любой момент времени будет
_ 1 + 3fc2 - 2fc2 ■ sm2(w ■ t) — (1 + fc2 ■ sin2(^ ■ t))2 ^n = Pp — -Py = mw2 ■ r ■ sin(w • t)-5- (5)
cos ат (1 + fc2 • sin2(w • t))2
Тогда максимальное значение силы в приводе при установке упругого элемента равно:
Pn
m ■ щ2 . Г( -8k2 - 20k2 + (8 + 4k2)
N
4 + 7k2 + 4k4 - 16) Л|2 + 2k2 - V4 + 7k2+4k4
_ (6)
sinaT (3 + 2k2 — ^4 + 7k + 4k))2 Максимальное значение силы в приводе без установки упругого элемента равно [4]:
1
Pjrnax = m^2^r-з (7)
cos ат (1 + fc2)2
Определим отношение максимального значения силы в приводе без упругого элемента к максимальному значению силы в приводе с упругим элементом:
Р = 5
)тах Л(3 + 2Й2 - V4 + 7k2 +4к4)2
Анализ показывает, что для режущего аппарата с углом установки качающейся шайбы аг = 15°, амплитуда разности сил при введении упругого элемента с линейной характеристикой составит менее 8% от силы инерции без введения последнего [5, 6].
Выявление нагрузочных способностей позволило определить наиболее приемлемую конструкцию упругого элемента - это цилиндрическая винтовая пружина растяжения-сжатия.
Учитывая то, что пружина может иметь начальную кривизну и некоторую несоосность витков, и что сила может оказаться приложенной с небольшим эксцентриситетом, необходимо, во избежание выпучивания пружины, ставить ее на оправках и монтировать в гильзах, что, приводит к нежелательному трению о направляющие.
По этому предложено заменить пружину растяжения-сжатия парой пружин растяжения, предварительно натянутых в диаметрально противоположные стороны (не менее половины хода ножа).
Для того чтобы блок уравновешивания не препятствовал свободному сходу скошенной массы с режущего аппарата, предложено вывести упругие элементы из зоны резания и установить их на боковинах жатки (рис. 1). Соединение пружины с режущим ножом выполнено гибким элементом (тросом), переброшенным через роликовые блоки.
Рисунок 1 - Схема установки пружин на жатке
При установке вместо одной пружины растяжения-сжатия двух пружин растяжения для компенсаций одних и тех же силы инерции необходимо, чтобы их жесткость была в два раза меньшей. То есть при установке п-ого количества пружин, жесткость каждой должна быть в п раз меньше необходимой.
Решение задачи внутреннего уравновешивания созданием колебательной системы нож -упругий элемент - пальцевой брус, на ряду со снижением нагрузки при установившемся режиме работе, не позволяет уменьшить конструктивные размеры звеньев механизма привода, так как сопротивление упругого элемента в момент пуска может оказаться значительным.
Наиболее неблагоприятным случаем при пуске является нахождение ножа в крайних положениях. При этом привод испытывает сопротивление от сил трения и сил упругости, деформирующейся пружины. В этот момент преобладание силы сопротивления при пуске десятикратное над максимальной силой, пульсирующей в приводе при установившемся режиме работе.
С16 7 в И 10
\ \ //У/У//// /
1-колебатель, 2-тяга, 3-толкатель, 4-двухполостный цилиндр, 5 и 6-упругие элементы,
7 и 8-шайбы, 9-буртик, 10-нож Рисунок 2 - Механизм разгона ножа
Для снижения пускового момента, разработан механизм разгона ножа, выполненный в виде симметричного двухполостного цилиндра 4, корпус которого жестко связан с режущим ножом 10 (рисунок 2). В каждой из полостей цилиндра расположены предварительно сжатые упругие элементы 5 и 6, оси которых расположены вдоль линии возвратно-поступательного движения ножа. Упругие элементы опираются на шайбы 7и 8, которые, в свою очередь, опираются на буртик 9, расположенный внутри корпуса механизма разгона. Между этими шайбами установлен толкатель 3, который шарнирно связан при помощи тяги 2 с концом коле-бателя 1механизма качающейся шайбы.
С началом движения колебателя 1 по часовой стрелке, его воздействие через тягу 2, толкатель 3, шайбу 8, упругий элемент 5, корпус 4 механизма разгона передается ножу 10, движущемуся в этом случае вправо, и деформирует систему упругих элементов 11. Она деформируется до тех пор, пока возрастающая сила их сопротивления не станет равной силе предварительного сжатия упругого элемента 5.
С этого момента наряду с продолжающейся деформацией упругих элементов 11 начинается сжатие упругого элемента 5, а поскольку его жесткость С; меньше суммарной жесткости с2 системы упругих элементов 11, т. е. С < с2, он деформируется более интенсивно. При этом приводу оказывает сопротивление система элементов, состоящая из упругих элементов 11 упругого элемента 5, суммарная жёсткость которой из условия:
_ с1 • С2
Оум _ , г (8)
С1 + с2
имеет величину, меньшую меньшей из жестокостей, соответственно и сила в приводе, вызванная перемещением толкателя 3, будет меньше, чем усилие, вызванное деформацией системы упругих элементов 11 при отсутствии упругих элементов в механизме разгона.
При максимальном повороте колебателя 1 он заставит толкатель 3 пройти половину длины рабочего хода ножа 10. Перемещение самого ножа 10 меньше на величину деформации упругого элемента 5. С началом обратного движения - против часовой стрелки, колебатель ослабляет воздействие на упругие элементы 11 и упругий элемент 5, давая им возможность разжиматься. Поворачиваясь от нейтрального положения, колебатель подталкивается некоторое время в этом направлении силами инерции ножа 10, движущегося справа налево и получающего энергию от упругого элемента 11, накопившего ее при деформации.
Движение из нейтрального положения влево нож 10 осуществляет под воздействием колебателя 1 и упругих элементов 11 , и, таким образом, импульс получаемой ножом энергии больше, чем мгновением ранее при движении его вправо, когда он находился под воздействием колебателя, а упругий элемент оказывал сопротивление этому воздействию. Именно поэтому при крайнем левом положении колебателя ход ножа, а соответственно и деформация упругих элементов 11, на некоторую величину превышают ход его и деформацию этих упругих элементов в предыдущем крайнем положении - в правом, а деформация упругого элемента 6 несколько меньше деформации элемента 5.
В следующий момент начинается движение ножа вправо, осуществляемое воздействием колебателя и разгибающегося упругого элемента 11. Поскольку в крайнем левом положении деформация упругого элемента 11 по абсолютной величине превышает деформацию ее в предыдущем крайнем правом положении, значит, больше запас энергии, накопленный указанным упругим элементом при изгибе, и то усилие, с которым он, помогая колебателю, воздействует на нож, снова заставляя его двигаться вправо. Благодаря указанному усилию на нож при движении его вправо он получит большее перемещение, чем в предыдущем цикле - движение влево, а деформация упругого элемента 5 по сравнению с деформацией элемента 6 уменьшится. Таким образом, при разгоне с каждым последующим движением ножа величина хода его из стороны в сторону увеличивается, а деформация упругих элементов 5 и 6 уменьшается, доходя после завершения фазы разгона до величины их предварительного сжатия. Этот момент можно считать началом установившегося движения.
Совершая возвратно-поступательное движение, нож осуществляет технологический процесс скашивания сельскохозяйственных культур. Необходимо, отметить, что такое плав-
ное выведение режущего аппарата на рабочий режим с постепенным увеличением длины хода ножа за счет сокращения величины деформации упругих элементов 5 и 6 механизма разгона возможно лишь при совпадении частоты возмущающего воздействия колебателя с собственной частотой колебании ножа с упругими элементами 11.
Как известно, при совпадении собственной и вынуждающей частот колебаний наступает явление резонанса, войдя в который нож рискует увеличить амплитуду колебаний выше пределов, позволяемых кинематикой привода. Однако отрицательного влияния резонансного разгона ножа на привод не происходит, так как включаются упругие элементы 5 и 6, оказывающие в этом случае тормозящие воздействия на стремящийся к увеличению свой амплитуды нож.
Вывод. Система привода режущего аппарата находится в режиме близком к автоколебанию, когда колеблющийся в резонансной зоне нож осуществляет процесс скашивания сельскохозяйственной культуры, а привод играет роль своеобразной «подпитки», восполняющей потери энергии ножа на сопротивление срезу, трение и. т. п.
Для того чтобы в процессе резания не происходила деформация упругих элементов, что может привести к снижению скорости резания и, соответственно, к забиванию режущего аппарата, необходимо, чтобы усилие предварительного сжатия упругих элементов было больше сил трения и сопротивления срезу
Жесткость упругих элементов 5 и 6 найдем из условия равенства максимального усилия сжатия системы элементов, состоящей из упругих элементов 5 и 11, максимальной силе, пульсирующей в механизме привода при установке упругого элемента.
Список источников
1. Обоснование критериев технического состояния сельскохозяйственной техники / И.Л. Подшиваленко, С.В. Курзенков, В.А. Гайдук и др. // Вестник Брянской ГСХА. 2014. № 3. С. 56-58.
2. Режущий элемент измельчителя кормов: пат. 2075919 Рос. Федерация: C1 / Ермичев В.А., Кузюр В.М. - № 95103615/08; заявл. 14.03.1995; опубл. 27.03.1997.
3. Кузюр В.М. Теоретическое обоснование модернизации режущего механизма волчка // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. тр. Брянск, 2007. С. 12-13.
4. Ожерельев В.Н., Жалнин Э.В., Никитин В.В. Перспективы развития конструкции зерноуборочного комбайна // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе: материалы междунар. науч.-практ. конф. / под общ. ред. В.А. Гулевского. 2018. С. 137-143.
5. Ожерельев В.Н., Никитин В.В. Стратегия совершенствования конструкции зерноуборочного комбайна // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 8. С. 39-43.
6. Ожерельев В.Н., Никитин В.В. Перспективные направления совершенствования конструкции зерноуборочного комбайна // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. тр. Брянск, 2016. С. 19-25.
References
1. Substantiation of criteria for the technical condition of agricultural machinery / I.L. Podshivalenko, S.V. Kurzenkov, V.A. Gaiduk, etc. // Bulletin of the Bryansk State Agricultural Academy. 2014. No. 3. pp. 56-58.
2. Cutting element of the feed chopper: pat. 2075919 Russian. Federation: C1 / Ermichev V.A., Kuzyur V.M. - No. 95103615/08; application 14.03.1995; publ. 27.03.1997.
3. Kuzyur V.M. Theoretical justification of modernization of the cutting mechanism of the top // Design, use and reliability of agricultural machinery: collection of scientific tr. Bryansk, 2007. pp. 12-13.
4. Necklaces V.N., Zhalnin E.V., Nikitin V.V. Prospects for the development of the combine harvester design // Energy efficiency and energy saving in modern production and society: materials of the International scientific and practical conference / under the general editorship of V.A. Gulevsky. 2018. pp. 137-143.
5. Kolerev V.N., Nikitin V.V. Strategy for improving the design of a combine harvester // Tractors and agricultural machines. 2016. No. 8. pp. 39-43.
6. Kolerev V.N., Nikitin V. V. Promising directions for improving the design of a combine harvester // Design, use and reliability of agricultural machinery: collection of scientific tr. Bryansk, 2016. pp. 19-25.
Информация об авторах
С.И. Козлов - кандидат технических наук, доцент кафедры механизации животноводства и электрификации сельскохозяйственного производства, УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия».
В.И. Коцуба - заведующий кафедрой технического сервиса и общеинженерных дисциплин, кандидат технических наук, УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия».
B.М. Кузюр - кандидат технических наук, доцент кафедры техническго сервиса, ФГБОУ ВО «Брянский государственны аграрный университет».
C.И. Будко - кандидат технических наук, доцент кафедры техническго сервиса, ФГБОУ ВО «Брянский государственны аграрный университет».
Information about the authors
S.I. Kozlov - Candidate of Technical Sciences, Docent, Dept. of mechanization of animal husbandry and electrification of agricultural production, Belarusian State of the Orders of the October Revolution and the Order of the Labour Red Banner Agricultural Academy.
V.I. Kocuba - Head of the Dept. of technical service and general engineering disciplines Candidate of Technical Sciences, Docent, Belarusian State of the Orders of the October Revolution and the Order of the Labour Red Banner Agricultural Academy.
V.M. Kuzyr - Candidate of Technical Sciences, Docent, Dept. of Technical Service, Bryansk State Agrarian University.
S.I. Budko - Candidate of Technical Sciences, Docent, Dept. of Technical Service, Bryansk State Agrarian University.
Статья поступила в редакцию 01.03.2023; одобрена после рецензирования 12.05.2023, принята к публикации 29.05.2023.
The article was submitted 01.03.2023; approved after rewiewing 12.05.2023; accepted for publication 29.05.2023.
© Козлов СИ., Коцуба В.И., Кузюр В.М., Будко С.И.
Научная статья УДК 338.46:004.9
DOI: 10.52691/2500-2651-2023-97-3-51-59
ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ АПК В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ 1Владимир Анатольевич Погонышев, 1Владимир Ефимович Ториков, 2Дина Алексеевна Погонышева
1ФГБОУ ВО Брянский ГАУ, Брянская область, Кокино, Россия 2ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»,
Брянская область, Брянск, Россия
Аннотация. Машинно-тракторный парк выступает важнейшим элементом цепочки создания стоимости в агробизнесе, его уровень и качество определяют агротехнологии, рост производительности труда, себестоимость продукции отрасли. Существенный прирост объемов выпуска продукции АПК обусловливает необходимость учета наличия и степени износа основных фондов, значимость государственной поддержки для их обновления. За последние годы производство сельскохозяйственной техники в России уменьшилось, продолжается старение парка сельхозмашин. Мировой и отечественный опыт показывает, что высокая продуктивность полей и ферм достигается в результате внедрения в аграрную сферу высокоточных, ресурсосберегающих технологий на основе высокопроизводительной интеллектуальной техники и ее эффективного использования. В России в последнее время эффективно эксплуатируются такие электронные системы, как автовождение, ночное видение, картирование урожайности, идентификации, мониторинга и контроля сельскохозяйственных машин и др. Аграрии проявляют интерес к технологиям высокоточного земледелия и использованию цифровых решений. Обновлению парка сельхозтехники мешают высокий уровень цен на сельскохозяйственные машины, недостаточный уровень государственных и региональных субсидий, непредсказуемость и волатильность зернового рынка, дефицит квалифицированных кадров.
Ключевые слова: АПК, машинно-тракторный парк, ресурсосбережение, цифровые технологии, триботехника.
