CC BY
29
- увеличение коэффициента полезного действия дисковой бороны достигается за счёт увеличения полезных затрат на работу сферического диска и снижения нагрузки на диск пропорциональным снижением эксплуатационного веса.
Литература
1. Припоров Е.В., Кудря Д.Н. Обоснование энергосберегающего режима работы машинно-тракторного агрегата // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 47. С. 174 - 176
2. Пат. на изобретение RUS 2177216. Устройство для поверхностного рассева минеральных удобрений и других сыпучих материалов / Якимов Ю.И., Иванов В.П., Припоров Е.В., За-ярский В.П., Волков Г.И., Селивановский О.Б. заяв. 14.03.2000.
3. Припоров Е.В. Центробежный аппарат с подачей материала вдоль лопаток // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 3 (18). С. 243 - 247.
4. Припоров Е.В. Технологическая колея и проблемы её создания // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (64). С. 82 - 84
5. Припоров Е.В. Анализ полноты обработки почвы в междисковом пространстве двухследного дискового орудия // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 1 (75). С. 85 - 88.
6. Зангиев А.А., Шпилько А.В., Левшин А.Г. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: КолосС, 2008. С. 57.
7. Сельскохозяйственные машины. (Теория, конструкция, расчёт): учеб. пособие. 2-е изд. перераб. и доп. / Е.И. Трубилин, В.А. Абликов, Л.П. Соломатина [и др.]. Краснодар: КубГАУ, 2008. С. 44.
8. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М.: Машиностроение, 1983. 48 с.
9. Сохт К.А., Трубилин Е.И., Коновалов В.И. Дисковые бороны и лущильники. Проектирование технологических параметров: учеб. пособие. Краснодар: КубГАУ, 2014. 164 с.
Припоров Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент
Шепелев Анатолий Борисович, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»
Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
Е-mail: [email protected]; [email protected]
Analysis of the factors affecting the disc harrow operation efficiency
Priporov Evgeniy Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Shepelev Anatoly Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia Е-mail: [email protected]; [email protected]
Disc harrows with in-line arrangement of spherical discs on an individual axle are widely used in resource-saving technologies for soil preparation for sowing grain after row crops. The working bodies of the disc harrows are not clogged with plant residues and soil. An important indicator of the disc harrow is the efficiency. The purpose of the study is to determine the factors influencing the efficiency of the disc harrow with the disc installation on an individual axis. It has been found that the traction resistance of the disc harrow depends on the design and technological parameters of the spherical disc and the speed of the unit. The operating weight of the disc harrow is set depending on the number of discs and the required load to maintain the required working depth. It is proved that the efficiency of the disc harrow does not depend on the design and technological parameters of the installation of the spherical disc on the frame. The influence of the specific traction resistance of the soil, the load on the disc, the depth of processing on the efficiency of the disc harrow has been established. The increase in the efficiency of the disc harrow is achieved by increasing the useful costs for the operation of the spherical disc and reducing the load on the disc.
Key words: disc harrow, efficiency, operating weight, positive costs, harmful costs.
DOI 10.37670/2073-0853-2020-84-4-146-149
-♦-
УДК 631.316.022,62-522.
Схема управления адаптивной подвеской культиваторов
С.Н. Кокошин, канд. техн. наук; А.С. Кизуров, канд. техн. наук; В.И. Ташланов, аспирант
ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
В производстве современных сельскохозяйственных агрегатов предусмотрены системы точного земледелия, которые позволяют повысить производительность и качество процессов. Одной из основополагающих операций, способствующей повышению урожайности, является предпосевная обработка почвы, в процессе которой необходимо не только создать оптимальную структуру почвы, но и ровное посевное ложе на установленной глубине. В работе представлена конструкция культиваторной стойки с автоматическим регулятором жёсткости, выполненным на основе гибкого трубчатого элемента. Представлена схема управления работой данного регулятора на основе применения пропорциональной гидравлики. Для работы в
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 4 (84)
автоматическом режиме в схеме управления предусмотрен микроконтроллер, который позволяет изменять гидравлическое давление в регуляторе в соответствии с показаниями датчика расстояния. Перемещение, которое замеряет датчик, прямо пропорционально глубине движения рабочего органа культиватора в почве. В структуре алгоритма присутствует операция усреднения текущего значения перемещения Х с целью компенсации вибраций и погрешностей измерений. Описан процесс работы микроконтроллера. Управление работой электроклапанов осуществляется подачей или снятием напряжения на контакты, связанные с электрогидрораспределителем. Предложенное конструктивное решение в совокупности с электронной системой управления позволит повысить качество обработки почвы за счёт соблюдения требуемой глубины движения рабочих органов на различных типах почв.
Ключевые слова: обработка почвы, глубина, управление, алгоритм, микроконтроллер.
В современных технологиях производства сельскохозяйственной продукции широко применяются устройства с автоматическим контролем качества процессов [1, 2]. При возделывании сельскохозяйственных культур уже используют системы дифференциального внесения удобрений, параллельного вождения, картирование полей и др. [3, 4]. Для реализации систем контроля за технологическими процессами необходимы автомагические устройства контроля определённого параметра и исполнительный элемент. В работе С.Г. Пархоменко и Г.Г. Пархоменко [5] представлена классификация автоматических устройств по способу действия и указаны преимущества гидравлических исполнительных устройств в сравнении с механическими.
При возделывании зерновых культур начальными технологическими операциями, влияющими на урожайность, являются обработка почвы и посев [6]. Поэтому научные исследования, направленные на регулирование глубины обработки почвы и посева зерновых культур в настоящий момент являются актуальными [7 - 9]. На основании вышеизложенного сформулирована цель работы: разработать принципиальную схему управления глубиной обработки почвы с использованием гибкого трубчатого элемента.
Материал и методы исследования. Для регулирования глубины обработки почвы и посева мы предлагаем использовать в конструкциях подвески гибкие трубчатые элементы, которые под действием гидравлического давления изменяют изгибную жёсткость стойки [10, 11] (рис. 1).
С увеличением твёрдости почвы сила сопротивления действующая на лапу культиватора 1, увеличивается и перемещает лапу в направлении А. Стойка культиватора снабжена автоматическим регулятором жёсткости 2, выполненным в виде гибкого трубчатого элемента. Для фиксации данных перемещений на раму культиватора устанавливается оптический датчик расстояния 3 с автоматическим блоком управления 4. При установленной глубине обработки датчик определяет расстояние до стойки как номинальное. Под действием силы сопротивления почвы перемещение лапы в вертикальном направлении в пределах агротехнических требований изменяет замеряемое расстояние на значение ±Д, считывая это как рабочий диапазон. В случае если изменение расстояния превосходит допустимый диапазон,
контроллер переводит гидрораспределитель 7 в рабочее положение.
Для увеличения силы F1 гидронасосом 6 из бака 5 жидкость подаётся в полость регулятора через штуцер 8. Для снижения данной силы гидрораспределитель переводится в противоположное положение, и жидкость сбрасывается в бак. Для предотвращения регулятора от выхода из строя в конструкции установлен предохранительный клапан 9, который срабатывает при достижении давления максимально допустимого значения.
Схема управления адаптивной подвеской культиватора описывается как система автоматики, имеющая входной сигнал (перемещение) и выходные сигналы (работа гидравлического распределителя нагнетания и стравливания).
В качестве датчика перемещения, обеспечивающего входной сигнал, использовался цифровой штангенциркуль марки «electronic digital caliper» с шагом измерений в 0,1 мм, номинальным напряжением питания 1,5 В и встроенным цифровым интерфейсом.
В качестве исполнительного механизма, управляемого выходными сигналами, использовался гидравлический гидрораспределитель с электроуправлением с номинальным напряжением срабатывания (открывания) 12 В.
Рис. 1 - Схема управления глубиной обработки почвы
Схемой управления предусматривалось измерение текущего значения перемещения X, сравнение с требуемым значением, заданным в программе, открывание или закрывание необходимого электроклапана с учётом гистерезиса dX по перемещению. Для обеспечения работоспособности схемы управления был разработан алгоритм управления, представленный на рисунке 2.
В структуре алгоритма присутствует операция усреднения текущего значения перемещения Х с целью компенсации вибраций и погрешностей измерений. Сравнение текущего (усреднённого) значения перемещения Х с гистерезисом (допустимым отклонением от требуемого значения) dX компенсирует инертность процессов, протекающих в гидравлической системе адаптивной подвески культиватора.
( Инициализация )
Ч Чтение текущего перемещения Х~\--
Осреднение X1
Рис. 2 - Алгоритм работы схемы управления адаптивной подвеской культиватора
Результаты исследования. Для выполнения алгоритма был использован 8-битный микроконтроллер серии AtMega328, работающий на частоте 16 МГц с номинальным напряжением питания 5 В. Для согласования микроконтроллера
с логическими уровнями 5 В, датчика измерения перемещения с логическими уровнями 1,5 В и исполнительными механизмами с логическими уровнями 12 В была разработана принципиальная схема управления, представленная на рисунке 3 [12].
Принципиальная схема управления построена на трёх интегральных микросхемах U1 - U3, две из которых являются линейными стабилизаторами напряжения, обеспечивающими необходимые уровни напряжения 5 В; 3,3 В и 1,8 В.
Бортовое напряжение +12 В поступает на клеммные контакты Х1. Диодом выпрямительным D1 осуществляется защита схемы управления от обратного напряжения в случае ошибочного подключения. Электролитическим конденсатором РС1 осуществляется сглаживание пульсаций напряжения, возникающих в результате работы штатного электрооборудования. Посредством линейного стабилизатора с низким падением напряжения U1 марки NCP1117ST5 обеспечивается снижение напряжения до уровня в +5 В относительно общей точки схемы GND [13].
Для обеспечения питания с уровнем напряжения +1,5 В для измерительного инструмента и обеспечения передачи данных от него (логический ноль должен обладать потенциалом ниже +2,5 В, а логическая единица - выше +2,5 В), используется схема питания, обеспечивающая состояние логического нуля и единицы +1,8 и +3,3 В соответственно. Обеспечение заданных уровней напряжения осуществляется посредством линейного стабилизатора напряжения с низким падением напряжения U2 марки LP2385-33DBVR (+3,3 В) и светодиода LED 1, подключённого к ней через токоограничивающий резистор - де-
f
U2
LP298S-33DBVR
Г
OUT
ON/OFF GND NC/FB
f
lu
t
220
L^fJ
XTAL m 16MHz
i
ri-
WOn
+12V GND
12V
U1
NEP1117ST5
M7
i7u
п OUT
OUT
GND
H
1
*
V U3
ATMEGA328P
Q2,
*5V Л
RESET (SEKJPB5
(mom
(XTAL2IPB7 tWSÜPB3
(XTAL1JPB6 (SSIPB2 ffiniPRI
AREF tEPlPBO
AVEC
AGNO (ADE5)PES
!Aoam
VEC ¡ADE3ÎPE3
GND IADE21PE2
IADE1IPE1
(AOEOSPEO
(AINVPD7
IMINUirUO IT1IPD5
mm
(INT1JPD3
(INT0IPD2
ÎTXDSPD1
ITXDIPDO
X3
D2~h>mm mm
о
m
*KV -KV
f
X2 О о ■о
positive clock data negative
Рис. 3 - Принципиальная схема управления адаптивной подвеской культиватора
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 4 (84)
литель напряжения Ш. При работе светодиода LED1 падение напряжения на нём составляет 1,5 В, что соответствует требованиям по питанию схемы штангенциркуля и обеспечивает потенциал на резисторе Ш в 1,8 В относительно GND. Плата штангенциркуля подключается к разъёму Х2 [14 - 16].
Питание микроконтроллера V3 марки ATMega328P осуществляется стабилизированным напряжением +5 В от и1 и С3. Тактовая частота работы микроконтроллера задаётся кварцевым резонатором XTAL [12].
Управление работой электроклапанов осуществляется подачей или снятием напряжения на контакты Х3, Х4. Схема питания катушек электроклапанов построена на ЮВТ-транзисторах Q2 и Q4, управляемых биполярными транзисторами Q1 и Q2 соответственно. Цепи питания катушек электроклапанов зашунтированы защитными диодами D2 и D3 от токов, вызванных ЭДС самоиндукции в момент закрывания транзисторов Q2 и Q3 соответственно.
Выводы. Применение микроконтроллерного оборудования в совокупности с электронными измерительными датчиками перемещения, гидравлическими системами и исполнительным механизмом, основанным на принципе гибкого трубчатого элемента, управляемыми электромагнитными клапанами, позволяет автоматизировать процесс соблюдения глубины при обработке почвы. К алгоритму работы схемы предъявлены требования, реализация которых предусмотрена элементной базой принципиальной электрической схемы. Предложенное решение позволит повысить качество обработки почвы за счёт соблюдения требуемой глубины движения рабочих органов на различных типах почв.
Литература
1. Чуба А.Ю., Чуба А.Ю. Современные решения в области циф-ровизации и автоматизации сельского хозяйства // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 5 (79). С. 163 - 165.
2. Андреева Е.В. Развитие автоматизации машинно-технологических процессов сельскохозяйственного производства // Инженерно-техническое обеспечение АПК. 2001. № 3. С. 915.
3. Семизоров С.А. Эффективность применения систем спутниковой навигации при посеве зерновых культур // Агропродо-вольственная политика России. 2015. N° 10 (46). С. 31 - 34.
4. Абрамов Н.В., Шерстобитов С.В., Абрамов О.Н. Дифференцированное внесение минеральных удобрений с использованием космических систем // Агропродовольственная политика России. 2014. № 2 (26). С. 2 - 8.
5. Пархоменко С.Г., Пархоменко Г.Г. Моделирование следящих систем почвообрабатывающих агрегатов // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 1. С. 22 - 31.
6. Бедоева С.В., Халилов М.Б. Влияние систем обработки почвы на формирование урожайности озимой пшеницы // Инновационный подход в стратегии развития АПК России: сб. матер. науч. трудов Всерос. науч.-практич. конф. Махачкала, 2018. С. 178 - 183.
7. Пат. на изобретение RU 2311011 C1, 27.11.2007. Способ регулирования глубины обработки почвы и устройство для его осуществления / Дроздов С.В., Богданович В.П., Рыков
B.Б.; № 2006116978/12; заявл. 17.05.2006.
8. Патент на изобретение RU 2258341 C1, 20.08.2005. Устройство автоматического контроля заданной глубины обработки почвы / Тырнов Ю.А., Агапов А.Н.; № 2004102792/09; заявл. 30.01.2004.
9. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Применение гибких трубчатых элементов в сельском хозяйстве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 37 (71).
C. 150 - 151.
10. Кокошин С.Н., Киргинцев Б.О., Ташланов В.И. Интеллектуальная система управления глубиной хода дисковых сошников при посеве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 2 (76). С. 109 - 112.
11. Кокошин С.Н., Ташланов В.И. Система слежения и регулирования глубины хода рабочих органов культиваторов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 178 - 181.
12. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P [DATASHEET] [Электронный ресурс]. URL: http://www.farnell.com/ datasheets/2047852.pdf, свободный (дата обращения 02.03.2020).
13. NCP1117 - 1.0 A Low-Dropout Positive Fixedand Adjustable Voltage Regulators [Электронный ресурс]. URL: http://www. farnell.com/datasheets/2236912.pdf, свободный (дата обращения 02.03.2020).
14. LP2985 150-mA Low-Noise, Low-DropoutRegulatorWithShut-down (Rev. O) [Электронный ресурс]. URL: https://static.chi pdip. ru/lib/170/D0C001170968.pdf, (дата обращения 02.03.2020).
15. ChineseScales [Электронный ресурс]. URL: http://www. shumatech.com/support/chinese_scales.htm, свободный (дата обращения 02.03.2020).
16. ReadingDigitalCallipersWithanArduino / USB : 4 Steps - Instruc-tables [Электронный ресурс]. URL: https://www.instructables. com/id/Reading-Digital-Callipers-with-an-Arduino-USB/, свободный (дата обращения 02.03.2020).
Кокошин Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент Кизуров Анатолий Сергеевич, кандидат технических наук Ташланов Владислав Игоревич, аспирант
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Control circuit for adaptive suspension of cultivators
Kokoshin Sergey Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Kizurov Anatoly Sergeevich, Candidate of Technical Sciences Tashlanov Vladislav Igorevich, postgraduate Northern Trans-Ural State Agricultural University 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
технические науки
In the production of modern agricultural units, precision farming systems are already provided, which can improve the productivity and quality of processes. One of the fundamental operations that contribute to increasing yields is pre-sowing tillage, during which it is necessary not only to create an optimal soil structure, but also to create an even seedbed at a set depth. Due to changes in the physical and mechanical properties of the soil, this problem is only partially solved at the moment. The paper presents the design of a cultivator stand with an automatic stiffness control, made on the basis of a flexible tubular element. A scheme for controlling the operation of this regulator based on the use of proportional hydraulics is presented. For automatic operation, the control circuit has a microcontroller that allows you to change the hydraulic pressure in the regulator in accordance with the distance sensor readings. The movement that the sensor measures is directly proportional to the depth of movement of the cultivator's working organ in the soil. In the structure of the algorithm presented in this paper, there is an operation for averaging the current value of the X movement in order to compensate for vibrations and measurement errors. The process of operation of the microcontroller is described, its schematic diagram is presented with the indication of the connected ports and terminal contacts. The operation of electric valves is controlled by applying or removing voltage to the contacts connected to the electric hydraulic distributor. The proposed design solution in conjunction with an electronic control system will improve the quality of soil treatment by observing the required depth of movement of working bodies on different types of soil.
Key words: soil treatment, depth, control, algorithm, microcontroller.
-♦-
УДК 631.3
Исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых элементов культиваторов
С.П. Пирогов, д-р техн. наук, профессор; А.Ю. Чуба, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
Исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых элементов культиваторов в зависимости от их геометрических параметров является актуальной задачей. В качестве механической модели трубчатого элемента культиватора выбран пустотелый стержень, изогнутый по определённому радиусу, совершающий колебания в плоскости кривизны продольной оси. На основании уравнений движения бесконечно малого элемента стержня, используя принцип Даламбера, было получено выражение для расчёта собственных частот колебаний гибкого трубчатого элемента культиватора. Для использования при расчётах этого выражения необходимы геометрические параметры трубчатой стойки, физико-механические свойства материала трубки и параметры, зависящие от величины центрального угла трубчатого элемента. Эти параметры были определены для диапазона центральных углов от 150° до 270°. Задаваясь возможными геометрическими параметрами трубчатых элементов культиваторов, в среде МАТНЬАВ были проведены численные эксперименты по определению частот собственных колебаний. На основании этих данных построены графики зависимостей частот собственных колебаний трубчатых элементов в зависимости от толщины стенки упругого элемента, в зависимости от радиуса кривизны продольной оси и в зависимости от центрального угла трубчатого элемента.
Ключевые слова: культиватор, гибкий трубчатый элемент, частота свободных колебаний.
В настоящее время в Российской Федерации решается очень важная задача по цифровизации сельского хозяйства, направленная на повышение эффективности деятельности производителей сельскохозяйственной продукции. Для решения поставленных задач необходимы разработки новых сельскохозяйственных машин и оборудования, способных обеспечить эффективную реализацию разрабатываемых цифровизированных технологий производства сельскохозяйственной продукции [1, 2].
В растениеводстве для предпосевной обработки широкое применение получили культиваторы. Найдя способ снижения тягового сопротивления культиватора, возможно сократить энергетические и материальные затраты на производство продукции растениеводства и снизить её себестоимость. Одним из таких способов является использование положительного влияния на снижение тягового
сопротивления колебаний рабочего органа с определённой частотой и амплитудой. Большое распространение получили культиваторы, у которых рыхлительная лапа закреплена на раме с помощью С-образной стойки, поэтому, чтобы заставить рыхлительную лапу совершать колебательные движения с определёнными параметрами, можно использовать в качестве стоек лап гибкие трубчатые элементы [3, 4]. Изменяя частоту перепадов давления во внутренней полости трубчатой стойки, можно изменять частоту колебаний рабочего органа, а изменением величины перепадов давления можно влиять на амплитуду его колебаний. Кроме того, изменяя внутреннее давление, можно регулировать жёсткость стойки, необходимую для задания оптимальной глубины обработки почвы [5], в зависимости от физико-механических свойств почвы. Но для результативного использования этого эффекта следует
