CC BY
16
i.e. grain heap is determined not only by its movement as a whole, but also by the relative speeds of the component components. The presence of a skeleton in the form of process air in the mixture allows us to consider the grain heap as a porous medium when modeling the technological processes of air-sieve cleaning of a combine harvester.
Key words: methodical approach, wind-sieve cleaning, combine harvester, technical system, grain heap, process air, multi-speed mixture.
DOI 10.37670/2073-0853-2020-83-3-178-184
-♦-
УДК 631.3.06
Силовой анализ комбинированной почвообрабатывающей машины
А.С. Иванов, канд. техн. наук; М.С. Пузырев, соискатель ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
В России и за рубежом в современных технологиях обработки почвы широко применяются ротационные машины комбинированного действия с приводом рабочих органов от вала отбора мощности или через прицепное (навесное) устройство. Рабочие органы таких машин движутся в почве по различным траекториям. Анализ существующих конструкций комбинированных почвообрабатывающих машин показал, что имеется ряд проблем, связанных с обеспечением эффективного процесса обработки почвы. Конструктивные, кинематические и технологические параметры работы ротационных сельскохозяйственных машин существенно влияют на показатели энергоёмкости и качества процесса обработки почвы. Цель исследования - обоснование силовых нагрузок, действующих на разработанный комбинированный ротационный двухдисковый рабочий орган. Опыты проводились на установке, включающей в себя рабочий орган, силовой агрегат, регулирующую и контрольно-измерительную часть. Рассмотрена структурная и принципиальная схема установки. Для построения аналитических зависимостей работы двухдискового ротационного рабочего органа рассмотрены действия сил по отдельности для пассивного и активного диска, и разработаны аналитические зависимости для совместной работы дисков. Обоснованы силовые нагрузки, действующие на разработанный комбинированный ротационный двухдисковый рабочий орган. Определены кинематические и конструктивные параметры, при которых наблюдается выровненность дна борозды до 80 %. Обосновано снижение удельной энергоёмкости фрезерования по сравнению с серийными машинами на 11 - 17 %.
Ключевые слова: почва, обработка, ротационная машина, рабочий орган.
В России и за рубежом в современных технологиях обработки почвы широко применяются ротационные машины комбинированного действия как с активным приводом рабочих органов от ВОМ трактора, так и с пассивным приводом. Рабочие органы таких комбинированных машин осуществляют движение в почве по различным траекториям. В работе Ю.И. Матяшина изложены вопросы динамики ротационных машин приводного и бесприводного действия. Рассмотрен силовой анализ на примере почвенных фрез с вертикальной осью вращения, а также горизонтальной, установленной фронтально [1].
У комбинированных машин существует резерв в повышении эффективности процесса обработки почвы [2 - 4]. Конструктивные, кинематические и технологические параметры работы ротационных сельскохозяйственных машин существенно влияют на показатели энергоёмкости и качества процесса обработки почвы.
Цель исследования - обоснование силовых нагрузок, действующих на разработанный комбинированный ротационный двухдисковый рабочий орган.
Материал и методы исследования. Опыты проводились на установке, включающей в себя
рабочий орган, силовой агрегат, регулирующую и контрольно-измерительную часть (рис. 1). В качестве силовой части использовали электродвигатели серии АИР-80 переменного тока с фазовым ротором мощностью (0,75; 1,5 кВт), с частотой вращения (920, 1500, 3000 об/мин). Рабочий орган состоял из двух дисков (активного и пассивного) с режущими элементами (рис. 2) [5]. Один жёстко закреплён на валу болтовым соединением, второй свободно вращается в подшипнике. Регулирующую, в то же время приводящую роль выполняет электродвигатель с автоматическим управлением частоты вращения вала от 0 до 900 об/мин, частотный преобразователь Е-МГ№ LP7. В программе исследований в качестве контрольно-измерительной части использовали цифровой измеритель переменного тока MD-1614В с возможностью передачи данных на персональный компьютер.
Результаты исследования. Для построения аналитических зависимостей работы двухдискового ротационного рабочего органа рассмотрим действия сил по отдельности для пассивного и активного диска.
Пассивный рабочий орган вращается от взаимодействия ножей с почвой, при этом возникают
Рис. 2 - Общий вид разработанного двухдискового рабочего органа
различные силы сопротивления, действующие на него (рис. 3).
Поскольку для синхронизации работы дисков регулирование происходит в установившемся режиме (Vn = const), то условие равновесия рабочего органа запишется следующим образом [1]:
(1)
X х = 0: РКр = Rt; X У = 0: P6 = RB;
X M = 0: Mв = Mс, где Мв=Ркр ■ Лд - вращающий момент, приводящий в движение рабочий орган, Н; Мс=Rв H=Rt ■ Rд - момент сопротивления качению органа, Н;
Rд = R - hi = R ■ cos а - динамический радиус рабочего органа, м;
H=R ■ sin а - плечо до точки сопротивления перекатыванию органа, м. При неравномерном (неустановившемся) движении, т.е. (Уп = const), вращающий момент будет равен:
Мв = Мс + Mr ± М, Н, (2)
где Mr, Mj - моменты, возникающие в результате действия соответственно силами трения и инерции рабочего органа. Уравнение равновесия имеет вид: M
P = Яв ■ tg а +-r— ± M = ■ R ■ cos а =
R■cos а
Рис. 1 - Структурная и принципиальная схема установки:
(УЭ) - управляющий элемент; (РЭ) - регулирующий элемент; (ИЭ) - рабочий орган, исполняющий элемент; (ВЭ) - воспринимающий элемент; (ВВ) - интерфейс выходной величины; (ЗВ) - электродвигатель, элемент задающей величины. 1, 2 - почвенный канал и исследуемый массив грунта; 3 - двухдисковый рабочий орган; 4 - плоскоременная передача; 5 - механизм регулирования глубины и устойчивости хода; 6 - тележка; 7 - рама установки; 8 - электродвигатель; 9 - червячный редуктор; 10 - система автоматического управления; 11 - контрольно-измерительные приборы
Rв ■ H Mr Mj
(3)
R„
- + -
- + -R„ R„
где
H R ■ sin а
R^j R ■ cos а
= tg а = f - коэффициент со-
противления качению органа.
Первая и вторая составляющие выражения (3) учитывают соответственно затраты энергии на преодоление силы трения ножей о почву и в подшипниковых узлах, а составляющая (+М;-/Яд) учитывает сопротивление качению от сил инерции при разгоне или замедлении движения рабочего органа.
Рис. 3 - Схема сил, действующих на пассивный диск рабочего органа:
Ркр - движущая сила при вращении пассивного диска; Рб - нормальная нагрузка на рабочий орган; Яо - равнодействующая элементарных сил сопротивления, точка приложения которых условно принимается в точке вхождения ножа в почву, она раскладывается на вертикальную Яв и горизонтальную Яг составляющие
Расход тяговой (Жт) и общей (Жо) мощности с учётом экспериментальных значений Ят и Яв можно определить по выражениям [6]:
Жт = ^г^п; (4)
Ж = ^о^п.
Угол наклона в вектора силы Я0 к горизонту определяется из выражения:
в = агс^ДвДо). (5)
Привод двухдискового ротационного рабочего органа осуществляется от электропривода. Силы, действующие на активный ротационный диск (при вращении его сверху вниз), представлены на рисунке 4.
Rx =
Rg
, Н.
где М) - момент инерции, приведённый к активному диску, Н;
Мб - момент инерции активного диска, Н:
М б =
m ■ Rz
Н.
(9)
Коэффициент полезного действия при h1 < R равен:
П =
R ■V
x ' п
(10)
Мв -ю
На основании вышеописанного действия сил на пассивный и активный диски двухдискового ротационного рабочего органа разработаны аналитические зависимости для совместной работы дисков. Так как для системы автоматического процесса необходимо знать параметр и его значения, по которому осуществляется регулирование рабочего процесса, необходимо задаться условием, при котором ножи пассивного и активного дисков одновременно находятся в точке вхождения в почву А. Наложение сил относительно центра О в точке А представлено на рисунке 5.
Рис. 4 - Схема сил, действующих на активный диск:
Ро - окружное усилие при вращении диска; Q6 -нормальная сила на ось рабочего органа; Ry - вертикальная составляющая реакции почвы в точке контакта рабочего органа; Rx - горизонтальная составляющая реакции почвы; Ro - равнодействующая сил Ry и Rx
За точку приложения Ro условно принято начало вхождения ножей в почву А. Угол в зависит от состояния почвы и глубины обработки. Вращение активного диска осуществляется под воздействием ведущего момента Мв=Rо • R. При равномерном движении (Vn = const) необходимая мощность, подводимая к активному диску Ыф = Мв • ю, суммируется из мощности, затрачиваемой на сопротивление вращению М1 • ю, и мощности, передаваемой диском раме машины М2 = ю • Rx • Rд.
Баланс мощности двухдискового ротационного рабочего органа при h1 < R равен:
Мв • ю = (М1 + М2 + Мб) • ю. (6)
Выталкивающую силу при равномерном движении рабочего органа рассчитываем по формуле:
Мв - Мб - M, . в б 1 тт (7)
Рис. 5 - Сумма сил, действующих в точке условного вхождения ножа в почву:
Ркр - движущая сила, приведённая к активному диску; Ркрп - движущая сила пассивного диска
Для такого случая работы двухдискового рабочего органа в установившемся режиме ( Vjj = const), условия равновесия будут иметь вид:
X x = 0: Ркр + Ркрп = Rx - P0 cos Р'- Rг;
X y = 0: Рб + 6б = Po sin р'- Rв - Ry.
(11)
При неравномерном движении рабочего органа при ^ < R получим:
Мв ■ ю = (М1 + М2 + Мб ± М]) ■ ю, (8)
Из выражения (11) следует, что в горизонтальной плоскости на общую движущую силу рабочего органа влияет горизонтальная составляющая Ях, которая создаёт подталкивающее усилие рабочему органу. Сила Яг создаёт тяговое сопротивление пассивного рабочего органа, которое можно устранить путём регулирования вращающего моментаМв=Яо ■ Я на валу активного диска. В вертикальной плоскости силы Яв и Ry создают выглубляющее усилие, негативное воздействие которого можно избежать увеличением окружного усилия Р0.
120
Ряд 1 Ряд 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Время,с
Рис. 6 - Графическое сравнение затрат энергии на обработку почвы:
ряд 1 - фрезерование; ряд 2 - ротационная обработка двухдисковым рабочим органом
Получив экспериментально значения сил Ях, Ят, и Ry можно рассчитать затраты энергии на ротационную обработку двухдисковым рабочим органом.
Результаты определения разницы затрат энергии при фрезеровании и ротационной обработке двухдисковым рабочим органом представлены на рисунке 6.
Вывод. В результате проведённых опытов обоснованы силовые нагрузки, действующие на разработанный комбинированный ротационный двухдисковый рабочий орган. Определены кинематические и конструктивные параметры, при которых наблюдается выровненность дна борозды до 80 %. Обосновано снижение удельной энергоёмкости фрезерования по сравнению с серийными машинами на 11 - 17 %.
Литература
1. Матяшин Ю.И., Матяшин Н.Ю., Матяшина А.Н. Силовой анализ работы ротационных почвообрабатывающих машин // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2008. № 3. С. 46 - 51.
2. Иванов А.С., Бай Р.Ф. Разработка и обоснование комбинированной почвообрабатывающей машины // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 5 (73). С. 146 - 148.
3. Джамбулатов З.М., Халилов М.Б. Исследование и разработка перспективных приёмов обработки почвы и технологических схем комбинированных почвообрабатывающих машин // Проблемы развития АПК региона. 2017. Т. 4. № 4 (32). С. 49 - 55.
4. Лепешкин Н.Д., Точицкий А.А., Добриян В.В. Анализ конструктивных схем почвообрабатывающепосевных агрегатов // Механизация и электрификация сельского хозяйства: межведомственный тематич. сб. В 2-х томах. Минск, 2010. С. 58 - 65.
5. Пузырев М.С., Котляр Б.Г., Стрижов В.А. Исследование качественно-энергетических параметров двухдискового ротационного почвообрабатывающего рабочего органа // Достижения науки и техники АПК. 2006. № 2. С. 36 - 38.
6. Матяшин Ю.И., Матяшин Н.Ю. Кинематика ротационных почвообрабатывающих машин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 6. С. 4 - 7.
Иванов Андрей Сергеевич, кандидат технических наук Пузырев Максим Сергеевич, соискатель
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7 E-mail: ivanovas@gausz.ru
Power analysis of a combined tillage machine
Ivanov Andrey Sergeevich, Candidate of Technical Sciences Puzyrev Maxim Sergeevich, postgraduate Northern Trans-Ural State Agricultural University 7 Republic St., Tyumen, 625003, Russia E-mail: ivanovas@gausz.ru
In Russia and abroad, modern soil cultivation technologies widely use rotary machines of combined action with the drive of the working bodies from the power take-off shaft or through a hook-on (mounted) device. The working bodies of such machines move in the soil along various trajectories. In the work of the Matyashin Y.I., questions of the dynamics of rotary machines with drive and non-drive action are posed. Power analysis is considered on the example of soil mills with a horizontal axis installed frontally and a vertical axis of rotation. Analysis of the existing designs of combined tillage machines showed that there are a number of problems associated with
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 • № 3 (83)
the provision of an effective soil cultivation process. The design, kinematic and technological parameters of the operation of rotary agricultural machines significantly affect the energy intensity and quality of the tillage process. The purpose of the study is the substantiation of power loads acting on the developed combined rotary two-disc working body. The experiments were carried out on the installation, which includes the working body, the power unit, the regulatory and control part. The structural and circuit diagram of the installation is considered. To build the analytical dependences of the work of a two-disk rotary working body, the actions of the forces for the passive and active disc are considered separately, and analytical dependencies for the joint work of the disks are developed. The power loads acting on the developed combined rotary two-disc working body are substantiated. Kinematic and structural parameters were determined at which the furrow bottom flatness is observed up to 80 %. Justified by the decrease in the specific energy consumption of milling compared to serial machines by 11 - 17 %.
Key words: soil, processing, rotary machine, working body.
-♦-
УДК 631.31:631.43(470.63)
Энергетические показатели крошения почвы при обработке в пропашном звене севооборота в зоне Центрального Предкавказья
Ю.А. Кузыченко, д-р с.-х. наук
ФГБНУ Северо-Кавказский ФНАЦ
Операции по основной обработке почвы, выполняемые орудиями отвального и безотвального типов, характеризуются как показателем удельных энергозатрат на формирование определённого структурного состава почвы на единицу площади поверхности агрегатов, так и удельными топливными затратами, связанными с изменением глубины обработки почвы и с изменяющейся влажностью пахотного слоя. Тяговые испытания плугов с различными типами отвалов и ряда безотвальных орудий при глубине обработки 20 - 22 см и 25 - 27 см, а также при различной влажности пахотного слоя, проведены на чернозёме обыкновенном среднесуглинистом в агрегате с трактором Т-150К, оборудованным установкой ЭМА-ПМ. По результатам испытаний и расчётов снижение удельной мощности на крошение почвы при обработке стойками СибИМЭ в сравнении со вспашкой с культурными отвалами составило 22 и 26 % при влажности почвы 14 и 19,5 % соответственно. При увеличении глубины обработки до 25 - 27 см удельный расход топлива повысился в среднем по видам обработки на 1,6 кг/га, при меньшем среднем его расходе при обработке безотвальными орудиями на 3,9 кг/га в сравнении со вспашкой. При влажности пахотного слоя почвы 18,5 % отмечается меньший средний расход топлива (14,5 кг/га) при обработке отвальными и безотвальными орудиями, наиболее значимое снижение по расходу топлива в сравнении с отвальной вспашкой отмечается при обработке плоскорезом - 9,9 кг/га и безотвальными стойками типа «Параплау» - 6,5 кг/га.
Ключевые слова: энергетические показатели, обработка почвы, крошение пласта, пропашное звено, Центральное Предкавказье.
При работе агрегатов, выполняющих операции по основной обработке почвы орудиями отвального и безотвального типов, удельные энергозатраты на формирование структурно-агрегатного состава почвы на единицу площади поверхности разделов почвенных агрегатов зависят от различных агрофизических условий обрабатываемого слоя почвы [1 - 3]. При рассмотрении удельного расхода топлива почвообрабатывающими агрегатами как одного из элементов энергозатрат установлено, что увеличение глубины обработки почвы приводит к повышению топливных затрат [4, 5].
По данным нормативных материалов, увеличение удельного расхода топлива пахотным агрегатом Т-150К + плуг ПЛН-5-35 с изменением глубины основной обработки от 20 - 22 до 27 - 30 см для разных групп норм на пахотные работы (IV - VII) составляет 27,7 - 26,5 % [6]. При этом тяговое сопротивление орудий, а соответственно и удельный расход топлива напрямую связаны с влажностью почвы, находящейся в
упругопластичном или вязкопластичном состоянии [7, 8].
Цель исследования - оценка удельных энергозатрат на формирование структурного состава почвы и топливных затрат при основной обработке почвы орудиями отвального и безотвального типов под пропашные культуры в зависимости от глубины обработки и влажности пахотного слоя почвы.
Материал и методы исследования. Тяговые испытания и расчёты по оценке удельных энерго-и топливных затрат при основной обработке под кукурузу на зерно различными почвообрабатывающими орудиями отвального и безотвального типов проводились на опытном полигоне ФГБНУ «Ставропольский НИИСХ». Почва: чернозём обыкновенный среднесуглинистый, гумус в обрабатываемом слое почвы - 2,7 %, подвижный фосфор - 20,6 мг/кг, обменный калий - 208 мг/кг. Диапазон влажности обрабатываемого слоя почвы при испытаниях равен 14 - 24 %. Испытания про-
