CC BY
10
Alexey E. Matushchenko, assistant, archangel24@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6727-5055 Aleksandr A. Poluektov, research worker, aleksand.poluektov2000@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-9082-7199
Movses D. Sarksyan, research worker, movses.sarksyan.03@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6737-8011
Вклад авторов: Матущенко А.Е. - написание исходного текста; Полуэктов А.А. - доработка текста; Сарксян М.Д. - итоговые выводы. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: Matushchenko A.E. - writing the source text; Poluektov A.A. - revision of the text; Sarksyan M.D. - final conclusions. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 15.06.2022; одобрена после рецензирования 04.07.2022; принята к публикации 04.07.2022.
The article was submitted 15.06.2022; approved after reviewing 04.07.2022; accepted for publication 04.07.2022.
-Ф-
Научная статья УДК 631.316.022
Расчёт стойки рабочего органа культиватора в виде гибкого трубчатого элемента*
Николай Николаевич Устинов1, Дмитрий Андреевич Черенцов2,
Сергей Петрович Пирогов2, Александр Сергеевич Мартыненко1
1 Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия
2 Тюменский индустриальный университет, Тюмень, Россия
Аннотация. С целью улучшения качества обработки почвы предложена конструкция стойки культиватора в виде гибкого трубчатого элемента с обратным соотношением осей, обеспечивающая достаточную жёсткость относительно внешних сил и возможность вибрационного воздействия на почву. Представлены результаты расчёта стоек рассматриваемого типа методом конечных элементов. Показаны результаты вычисления эквивалентных напряжений, перемещений и собственных частот колебаний в программном комплексе ANSYS, найден минимальный размер элемента, при котором обеспечивается точность решения, определены допустимые нагрузки и влияние переменного давления на интенсивность колебаний. Более «гладкое» решение получается при использовании метода Sweep, минимальный размер элемента, при котором наблюдается отклонение результатов расчёта менее 0,5 %, составляет 5 мм. Произведена оценка влияния силы, действующей на свободный конец в месте крепления рыхлительной лапы, и внутреннего давления на напряжённо-деформированное состояние стойки. Определены критические значения силы и давления. Показан рост со временем напряжений при действии переменного давления с частотой, близкой к собственной частоте колебаний. Применение пульсирующего гидравлического давления в пределах, допускаемых прочностью материала, создаёт вибрационное воздействие лапы на почву и будет способствовать снижению тягового сопротивления.
Ключевые слова: вибрационный культиватор, активный рабочий орган, гибкий трубчатый элемент, метод конечных элементов.
Для цитирования: Расчёт стойки рабочего органа культиватора в виде гибкого трубчатого элемента / Н.Н. Устинов, Д.А. Черенцов, С.П. Пирогов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 4 (96). С. 127 - 132.
Original article
Calculation of the rack of the tool of the cultivator in the form of a flexible tubular element
Nikolai N. Ustinov1, Dmitry A. Cherentsov2, Sergey P. Pirogov2, Aleksandr S. Martynenko1
1 North Caucasus Federal Agricultural Research Center, Tyumen, Russia
2 Industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia
Abstract. In order to improve the quality of soil cultivation, a design of the cultivator strut in the form of a flexible tubular element with an inverse ratio of axes is proposed, which provides sufficient rigidity with respect to external forces and the possibility of vibrating the soil. The results of the calculation of racks of the considered type by the finite element method are presented. The results of calculating equivalent stresses, displacements and natural frequencies of vibrations in the ANSYS software package are shown, the minimum size of the element is found, which ensures the accuracy of the solution, the allowable loads and the effect of variable pressure on the intensity of vibrations are determined. A more "smooth" solution is obtained when using the Sweep method, the minimum element size at which there is a deviation of the calculation results of
* Авторы выражают признательность за поддержку национальному проекту «Наука и университеты» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, грант № FEWN-2021-0012.
less than 0.5 % is 5 mm. An assessment was made of the influence of the force acting on the free end at the attachment point of the loosening arm and the internal pressure on the stress-strain state of the rack. The critical values of force and pressure are determined. An increase in stresses with time under the action of alternating pressure with a frequency close to the natural frequency of oscillations is shown. The use of pulsating hydraulic pressure within the limits allowed by the strength of the material creates a vibrational effect of the share on the soil and will help reduce traction resistance.
Keywords: vibratory cultivator, active tool, flexible tubular element, finite element method.
For citation: Calculation of the rack of the tool of the cultivator in the form of a flexible tubular element / N.N. Ustinov, D.A. Cherentsov, S.P. Pirogov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 96(4): 127-132. (In Russ.)
В целях улучшения качества обработки почвы были предложены почвообрабатывающие и посевные машины с гибкими трубчатыми элементами в качестве силовых элементов их рабочих органов [1 - 3]. Предложена конструкция стойки культиватора в виде гибкого трубчатого элемента с обратным соотношением осей [4 - 6], обеспечивающая достаточную жёсткость относительно внешних сил и возможность вибрационного воздействия на почву. Отличительной особенностью стоек рассматриваемого типа является направление импульсного воздействия на почву под действием давления. Уменьшение угла раскрытия гибкого трубчатого элемента при подаче внутреннего давления в таких конструкциях позволит увеличить стабильность хода рабочего органа по глубине, уменьшить давление на затылочную часть рых-лительной лапы, обеспечить передачу импульса непосредственно обрабатываемому слою почвы, повысить качество крошения почвы.
Конструкция рабочего органа культиватора показана на рисунке 1. Культиватор состоит из рыхлительной лапы 1, закреплённой на С-образной стойке 2. Стойка выполнена в виде гибкого трубчатого элемента со штуцером 3, который позволяет подавать давление в полость внутри элемента. Кронштейн 5 предназначен для крепления стойки 2 к раме 4 [7]. Для повыше-
Рис. 1 - Рабочий орган культиватора со стойкой в виде гибкого трубчатого элемента:
1 - гибкий трубчатый элемент; 2 -рыхлительная лапа [8]
ния жёсткости трубчатый элемент выполняется с обратным соотношением полуосей.
Подача рабочей жидкости в полость стойки 2 под переменным давлением приводит к колебательным движениям рыхлительной лапы с определённой амплитудой и частотой, которые зависят от параметров подаваемого давления и размеров трубчатого элемента.
Для снижения тягового сопротивления агрегата на различных видах почв необходимо, изменяя параметры переменного давления, задавать определённые режимы колебаний, частота которых будет близка к собственной частоте колебаний элемента.
Применение гибкого трубчатого элемента в культиваторе позволяет снизить тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин за счёт эффекта вибрации при взаимодействии с почвой, а также повысить качественные показатели процесса обработки почвы за счёт регулировки жёсткости стойки [4]. Теоретическим исследованиям колебаний трубчатых упругих элементов посвящены ранее опубликованные работы [4, 5, 9 - 13], однако трубки с обратным соотношением полуосей не изучались.
Материал и методы. Исследуемая модель выполнена из стали и имеет следующие геометрические характеристики: центральный угол - 180 град., радиус кривизны - 308 мм, поперечное сечение трубки - плоскоовальное, размер большой оси поперечного сечения - 60 мм, размер большой оси поперечного сечения -40 мм, толщина стенки - 5 мм [7].
С помощью метода конечных элементов [13, 14], реализованного в программном комплексе ANSYS, были определены напряжения и перемещения, возникающие в трубке под действием внутреннего давления (постоянного и пульсирующего) и внешней силы, а также собственные частоты колебаний.
Для оценки сходимости расчётов произведено исследование сеточной модели. Оценивалось перемещение свободного конца трубки при различных методах построения сетки и размеров элементов, результаты представлены на рисунке 2.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что при уменьшении размера элементов сеточной модели трубки, значения перемещения свободного конца стремятся к
некоторому пределу. Более «гладкое» решение получается при использовании метода Sweep, минимальный размер элемента, при котором наблюдается отклонение результатов расчёта менее 0,5 %, составляет 5 мм.
Результаты и обсуждение. Распределение напряжений в трубке от действия силы на свободный конец (место крепления кронштейна для крепления рыхлительной лапы) показано на рисунке 3.
В таблице 1 приведены численные результаты, которые показывают, что при увеличении силы, действующей на свободный конец трубки, напряжения так же пропорционально увеличиваются. Максимальная нагрузка, при которой напряжения близки к допускаемым, составляет 6 кН.
Влияние величины внутреннего давления на напряжения и перемещения представлены в таблице 2. Максимальное внутреннее давление, при котором напряжения близки к допускаемым, составляет 5 МПа.
На рисунке 4 представлены результаты вычислений первых пяти свободных частот с учётом наконечника и без него.
Результаты показывают значительное влияние на частоты жёсткого наконечника, который играет роль присоединённой массы, при этом частоты при наличии наконечника значительно уменьшаются. Это объясняется тем, что масса рыхлительной лапы и кронштейна для её крепления сопоставима с массой трубки.
Результаты оценки влияния пульсаций внутреннего давления от 2 до 6 МПа на напряжения представлены на рисунке 5.
Как видно по данным графиков, при периоде вибраций, большем периода колебаний, возникающие напряжения не превышают значения, приведённого в таблице 2. Однако при пульсации давления с частотой, равной первой частоте свободных колебаний, будет наблюдаться явление резонанса и значительный рост напряжений.
35
30
S S
05 S
щ 25
Ol
55 20
ш
о.
g 15
ш S
29,8
29,8
23,9
10 5 0
23,9
100
27,5
29,9
27,7
30
30 30
50 10 5
Размер сеточного элемента, мм
1
Ш Tetrahedrons ЕЭ Sweep
Рис. 2 - Результаты оценки перемещений свободного конца при различных методах разбиения
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
410,5
331,9
201,1
122,8^
40,3V"
5
Сила, кН
10
Рис. 3 - Напряжения под действием силы
1
3
8
1. Напряжения и перемещения от воздействия силы
Сила, кН Напряжение, МПа А, % Перемещение, мм А, %
без наконечника с наконечником без наконечника с наконечником
2 45,0 45,0 - 0,43 0,53 23,3
4 135,1 135,1 - 1,29 1,59 23,3
6 225,1 225,1 - 2,15 2,65 23,3
8 360,2 360,2 - 3,43 3,43 23,3
10 450,3 450,3 - 4,29 5,29 23,3
2. Напряжения и перемещения от воздействия внутреннего давления
Давление, МПа Напряжение, МПа А, % Перемещение, мм А, %
без наконечника с наконечником без наконечника с наконечником
2 102,9 104,0 1,1 0,96 1,17 21,8
4 205,9 207,9 1,0 1,91 2,34 22,5
6 306,8 311,9 1,6 2,87 3,51 22,2
8 405,8 415,8 2,5 3,83 4,68 22,1
10 515,5 519,8 0,8 4,79 5,85 22,1
Гц
1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0
Свободная частота колебаний МТП
1671,7
Без наконечника
3
Мода
С наконечником
Отклонения
Рис. 4 - Собственные частоты колебаний
« 500,0
ш *
к а
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
0,00
0,05
0,15
%
100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0
0,10 Время, с
♦ Период пульсаций внутреннего давления равный периоду первой частоты Ш Период пульсаций внутреннего давления равный 2,5 периодам первой частоты А Период пульсаций внутреннего давления равный 5 периодам первой частоты Рис. 5 - Напряжения, возникающие от пульсаций давления
130
0,20
1
2
4
5
Выводы. При моделировании культиватор-ной стойки в виде гибкого трубчатого элемента было выявлен наилучший метод построения сетки и минимальный размер элементов, обеспечивающих корректность решения без потери точности. Произведена оценка влияния силы, действующей на свободный конец, и внутреннего давления. Определены критические значения силы и давления. Показан рост со временем напряжений при действии переменного давления с частотой, близкой к собственной частоте колебаний.
Применение пульсирующего гидравлического давления в пределах, допускаемых прочностью материала, создаёт вибрационное воздействие лапы на почву и будет способствовать снижению тягового сопротивления. Таким образом, проведённые исследования подтверждают работоспособность данного рабочего органа, и он может быть успешно использован при обработке почвы.
Список источников
1. Теория клина, совершающего сложное движение / И.И. Рудченко, А.Е. Матущенко, А.А. Полуэктов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 88 - 92. https://doi. org/10.37670/2073-0853-2021-91-5-88-92.
2. Третьяков, А.И. Анализ конструкторско-исследовательских работ по вибрационным рабочим органам лесных почвообрабатывающих орудий // Воронежский научно-технический вестник. 2013. № 3 (5). С. 90 - 101.
3. Федоренко И.Я. Теория взаимодействия вибрационных рабочих органов с почвой // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 3. С. 15 - 19.
4. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Применение манометрических трубчатых пружин в сельскохозяйственных машинах // Агропродовольственная политика России. 2017. № 9 (69). С. 82 - 88.
5. Пат. РФ № 2432729 Российская Федерация, МПК А01С 7/20. Сошник / С.Н. Кокошин, Н.Н. Устинов, С.П. Пирогов; заявит. и патентообладат. ФГБОУ ВПО Тюменская ГСХА. No 2009146254/21; заявл. 14.12.2009; опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.
6. Пат. RU 116000 U1 Росссийская Федерация, МПК А01В 35/20, А01В 39/20. Рабочий орган культиватора / Маратканов А.А., Смолин Н.И., Кокошин С.Н., Устинов Н.Н.; ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья. -№ 2011117732/13; заявл. 03.05.2011; опубл. 20.05.2012. Бюл. № 14.
7. Пирогов С.П., Черенцов Д.А., Кокошин С.Н. Исследование напряжённо-деформированного состояния трубчатой стойки культиватора // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 141 - 144.
8. Устинов Н.Н., Поддубный В.И., Мартыненко А.С. Механико-математическая модель рабочего органа культиватора для определения тягового сопротивления при действии вибрации // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 3. С. 28 - 31.
9. Ustinov N, Maratkanov A, Martynenko А. Experimental study of the parameters of the active tool of a cultivator with a frame in form a flexible tubular element // MATEC
Web of Conferences, St.Petersburg, 15 - 17 ноября 2016 года. St. Petersburg: EDP Sciences, 2017. P. 08063. - DOI 10.1051/matecconf/201710608063.
10. Пирогов С.П., Черенцов Д.А., Чуба А.Ю. Колебания манометрических трубчатых пружин. Тюмень:ТюмГНГУ, 2015. 95 с.
11. Pirogov S.P., Cherentsov D.A. Foundations of the Design of Vibration-Resistant Manometers. Measurement Techniques. 2016; 59(8): 845-849.
12. Пирогов С.П., Черенцов Д.А., Кокошин С.Н. Моделирование напряжённо-деформированного состояния трубчатой стойки культиватора // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 141 - 144.
13. Modeling the technological process of tillage / S.G. Mudarisov, I.I. Gabitov, Y.P. Lobachevsky et al. Soil & Tillage Research. 2019; 190: 70-77.
14. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых систем культиваторов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 153 - 156.
References
1. Theory of a wedge making a complex movement / I.I. Rudchenko, A.E. Matushchenko, A.A. Poluektov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 88 - 92. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-91-5-88-92.
2. Tretyakov A.I. Analysis of design and research work on vibration working bodies of forest tillage tools. Voronezh Scientific and Technical Journal. 2013; 5(3): 90 - 101.
3. Fedorenko I.Ya. Theory of interaction of vibrating working bodies with soil. Tractors and agricultural machinery. 2016; 3: 15-19.
4. Pirogov S.P., Chuba A.Yu. The use of manometric tubular springs in agricultural machines. Agro-food policy in Russia. 2017; 69(9): 82-88.
5. Patent RF №. 2432729 Russian Federation, IPC А01С 7/20. Coulter / S.N. Kokoshin, N.N. Ustinov, S.P. Pirogov; will declare and patent holder. FGBOU VPO Tyumen State Agricultural Academy. No. 2009146254/21; dec. 12/14/2009; publ. 10.11.2011. Bull. No. 31.
6. Patent RU 116000 U1 Russian Federation, IPC А01В 35/20, А01В 39/20. The working body of the cultivator / A.A. Maratkanov, N.I. Smolin, S.N. Kokoshin, N.N. Ustinov; FGBOU VO GAU of the Northern Trans-Urals. No. 2011117732/13; dec. 05/03/2011; publ. 05/20/2012. Bull. No. 14.
7. Pirogov S.P., Cherentsov D.A., Kokoshin S.N. Investigation of the stress-strain state of the tubular cultivator rack. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2019; 77(3): 141-144.
8. Ustinov N.N., Poddubny V.I., Martynenko A.S. Mechanical and mathematical model of the working body of a cultivator to determine the traction resistance under the action of vibration. Achievements of Science and Technology ofAICis. 2017; 31(3). 28-31
9. Ustinov N, Maratkanov A, Martynenko А. Experimental study of the parameters of the active tool of a cultivator with a frame in form a flexible tubular element // MATEC Web of Conferences, St.Petersburg, 15 - 17 ноября 2016 года. St. Petersburg: EDP Sciences, 2017. P. 08063. - DOI 10.1051/matecconf/201710608063.
10. Pirogov S.P., Cherentsov D.A., Chuba A.Yu. Oscillations of manometric tubular springs. Tyumen: Tyumen State National University, 2015. 95 p.
11. Pirogov S.P., Cherentsov D.A. Foundations of the Design of Vibration-Resistant Manometers. Measurement Techniques. 2016; 59(8): 845 - 849.
12. Pirogov S.P., Cherentsov D.A., Kokoshin S.N. Modeling of the stress-strain state of a tubular cultivator rack. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2019; 77(3): 141-144.
13. Modeling the technological process of tillage / S.G. Mudarisov, I.I. Gabitov, Y.P. Lobachevsky et al. Soil & Tillage Research. 2019; 190: 70 - 77.
14. Pirogov S.P., Chuba A.Yu. Investigation of natural vibration frequencies of flexible tubular systems of cultivators. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2020; 84(4): 153-156.
Николай Николаевич Устинов, кандидат технических наук, доцент, ustinovniknik@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-8571-8836
Дмитрий Андреевич Черенцов, кандидат технических наук, доцент, cherencov_dmitry@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-8072-6183
Сергей Петрович Пирогов, доктор технических наук, профессор, piro-gow@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0001-5171-8942
Александр Сергеевич Мартыненко, соискатель, martynenko_91@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-4295-194X
Nikolai N. Ustinov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, ustinovniknik@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-8571-8836
Dmitry A. Cherentsov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, cherencov_dmitry@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-8072-6183
Sergey P. Pirogov, Doctor of Technical Sciences, Professor, piro-gow@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-5171-8942
Aleksandr S. Martynenko, research worker, martynenko_91@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-4295-194X
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 13.06.2022; одобрена после рецензирования 04.07.2022; принята к публикации 04.07.2022.
The article was submitted 13.06.2022; approved after reviewing 04.07.2022; accepted for publication 04.07.2022. -♦-
Научная статья УДК 631.363.21
doi: 10.37670/2073-0853-2022-96-4-132-139
Разработка универсальной математической модели для описания поведения воздушно-продуктового слоя в рабочей камере дробилки при проведении процесса измельчения зернового сырья и вторично материальных ресурсов
Сергей Владимирович Кишкилёв1, Владимир Александрович Шахов2,
Юрий Андреевич Ушаков2, Виктория Анзорьевна Ротова2
1 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия
2 Оренбургский государственный аграрный университет, Оренбург, Россия
Аннотация. Вопрос использования вторичных материальных ресурсов (ВМР) и отходов сельскохозяйственного производства в различных отраслях пищевой промышленности, в том числе и при производстве кормов и кормовых смесей, остаётся актуальным. Проблема снижения себестоимости корма и затрат на его производство является важной в сельском хозяйстве как России, так и Европы. В статье рассматриваются различные варианты снижения экономических затрат за счёт внедрения энергосберегающих технологий, а также уменьшения процентного содержания зерна в корме. Этого можно достичь за счёт снижения энергозатрат на производство корма и увеличения его питательной ценности. Проведённые исследования показали, что можно сохранить структуру зернового сырья, исключив льдообразование в порах зерна при заморозке. Исследования направлены на создание энергосберегающей технологии процесса измельчения зернового сырья для производства корма на основе математического моделирования поведения зернового воздушно-продуктового слоя при различных температурных условиях. На основании полученных результатов авторами предложена конструкция дробилки для измельчения зерна в замороженном состоянии. Проведён анализ зависимости энергетических показателей процесса измельчения и показателей качества готового продукта от температуры, влажности и вида измельчаемого сырья, а также от параметров конструкции измельчителя.
Ключевые слова: дробилка, измельчение зернового сырья.
Для цитирования: Разработка универсальной математической модели для описания поведения воздушно-продуктового слоя в рабочей камере дробилки при проведении процесса измельчения зерно-
