Теоретические исследования малогабаритного картофелекопателя с интенсификатором битерного типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 635.21:631.5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОГАБАРИТНОГО КАРТОФЕЛЕКОПАТЕЛЯ С ИНТЕНСИФИКАТОРОМ БИТЕРНОГО ТИПА

Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор; А. В. Шуков, канд. техн. наук; А. А. Роньжин, аспирант; В. С. Бочкарев, аспирант

ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (841-2) 628-517, e-mail: [email protected]

Приводятся теоретические исследования малогабаритного картофелекопателя с интенсификатором битерного типа. Машина агрегатируется с мотоблоками среднего и тяжелого класса и предназначена для уборки картофеля в мелкотоварных хозяйствах. Представлены описание и схема работы машины. Малогабаритный картофелекопатель с интенсификатором битерного типа разработан и изготовлен в ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» совместно с ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк).

Ключевые слова: клубень, картофель, картофелекопатель, мотоблок, малогабаритная техника, малогабаритный картофелекопатель, теоретические исследования, рабочий орган, качество уборки.

Уборка картофеля является самой трудоемкой операцией среди остальных в его производстве [1, 2]. В настоящее время более 95 % картофеля производится на уровне мелкотоварных хозяйств с применением простейших средств механизации. Поэтому разработка и внедрение в мелкотоварные хозяйства малогабаритного картофелекопателя с интенсификатором битерного типа, является актуальной задачей [4].

Целью теоретических исследований явилось обоснование конструктивных и режимных параметров малогабаритного картофелекопателя с интенсификатором битерного типа [5,6].

Для уборки картофеля в ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» совместно с ООО «КЗТМ» г. Кузнецка был разработан и изготовлен малогабаритный картофелекопатель с ин-тенсификатором битерного типа (рис. 1).

Рис. 1. Схема малогабаритного картофелекопателя с интенсификатором битерного типа: 1 - рама; 2 -лемех; 3 - интенсификатор битерного типа первый; 4, 7, 12, 13, 16, 17 - звездочки; 5 - интенсификатор битерного типа второй; 6 - грохот; 8 - опорное колесо; 9 - шатун; 10 - кривошип; 11 - винтовой механизм; 14, 15 - подвесы; 17 - шкив копателя; 18 - шкив мотоблока; 19 - мотоблок

Нива Поволжья № 1 (26) 2013 61

Малогабаритный картофелекопатель работает следующим образом. Предварительно устанавливаем требуемую глубину выкапывания путем вращения винтового механизма 11. Включаем мотоблок 19 и направляем его с малогабаритным картофелекопателем по борозде. Лемех 2 и грохот 6, подвешенные на подвесах 14, 15, совершают возвратно-поступательное колебание за счет кривошипа 10 через шатун 9. Лемех 2, подрезает пласт почвы, разрыхляет и превращает его в ворох. Когда почвенный ворох достигает 2/3 длины лемеха 2, он подхватывается пальцами пальчиковой гребенки интенсификатора 3, при этом пальцы интенсификатора 3 отделяют часть вороха, активно разрушают почвенные комки, рыхлят ворох и продвигают его с лемеха 2 на грохот 6. Разрыхленный и измельченный ворох, попадая на грохот 6, более интенсивно сепарируется, примеси просыпаются через грохот 6 за счет прохождения пласта по грохоту и его возвратно-поступательного колебания. При достижении ворохом середины грохота 6 происходит вторичное воздействие пальцев пальчиковой гребенки второго интенсификатора битерного типа 5, после чего очищенный от почвенных примесей ворох сходит с грохота 6 и попадает на поверхность поля, образуя валок, из которого в дальнейшем происходит ручной подбор картофеля.

Основные показатели качества работы и технические данные интенсификатора битерного типа зависят от его кинематических и конструктивных параметров, а именно от соотношения угловой скорости вращения интенсификатора битерного типа, скорости поступательного движения малогабаритного картофелекопателя, от диаметра интенсификатора битерного типа,

скорости отделения части вороха, высоты установки интенсификатора битерного типа относительно сепарирующей поверхности малогабаритного картофелекопателя, упругости пальцев лопастей интенсифика-тора битерного типа. и других факторов.

Схема к расчету траектории движения конца пальца лопасти интенсификатора битерного типа приведена на рисунке 2. Направление оси ОХ совпадает с направлением движения малогабаритного картофелекопателя. Данная ось расположена на линии грохота, а ось ОУ перпендикулярна горизонтальной плоскости. Рассмотрим движение точки А конца пальца лопасти интенсификатора битерного типа относительно пласта почвы толщиной ВС, поступающего на грохот, при этом предварительно условимся, что ось Со интенсифика-тора битерного типа располагается на высоте Н над линией грохота. Линия грохота совпадает с осью Х. По истечении некоторого времени t малогабаритный картофелекопатель передвинется вперед со скоростью ум на расстояние С0С=у ; за этот же промежуток времени точка А0 конца пальца лопасти интенсификатора битерно-го типа, вращающегося равномерно с угловой скоростью &, перейдет в положение А, повернувшись на угол р=ю1

Пользуясь рисунком 2, получаем координаты точки А [7]:

X=СС0 + АС соъа1 У=ОС0 - АС ътю1

(1) (2)

Исходя из того, что С0С = V м( и ОС0 =Н=Я+а , где а - величина, учитывающая толщину клубня и амплитуду колебания грохота, мм, а Н - высота оси

п

Рис. 2. Расчетная схема к выводу общего уравнения движения пальца лопасти интенсификатора битерного типа

интенсификатора битерного типа над линией грохота, мм, получим

X=vM t+Rcosat, (3)

Y =R+a-Rsinat,

(4)

Уравнения (3) и (4) представляют уравнения траектории, описываемой точкой А конца пальца лопасти интенсификатора битерного типа.

При изменении поступательной скорости vM малогабаритного картофелекопателя и относительной скорости вращения интенсификатора битерного типа U=Ra вид траектории меняется. Примем скоростной параметр 2 как отношение скоростей:

Ä=-U-, (5)

vM +ve

где vM- поступательная скорость малогабаритного картофелекопателя, км/ч;

vB- скорость вороха в малогабаритном картофелекопателе, км/ч.

Конец пальца лопасти интенсификатора битерного типа только в тех случаях будет иметь возможность отделять часть пласта вороха, когда Л>1, т. е. когда U>vM.

Для рыхления и продвижения пласта конец пальца лопасти интенсификатора битерного типа должен двигаться в сторону поступательного движения пласта, следовательно, горизонтальная составляющая vx скорости конца пальца лопасти ин-тенсификатора битерного типа должна иметь направление в сторону, обратную движению малогабаритного картофелекопателя, т. е.

dx п

vx = Ц<0 .

(6)

Горизонтальную составляющую скорости ух определим как первую производную от уравнения (3):

ух =Ум-Лю8тю/<0 . (7)

Учитывая, что U=Ra ,

vM<Usinat<Usinp .

(8)

Угол поворота p конца пальца лопасти интенсификатора битерного типа изменяется в пределах 0 и п, следовательно, наибольшее значение sinp=+1, когда п

p=—. Чтобы конец пальца лопасти интенсификатора битерного типа чтобы смог отделять часть вороха, активно разрушать почвенные комки, рыхлить часть вороха,

п

повернувшись на — от начального положения, необходимо, чтобы удовлетворялось условие ум<и или Л>1.

При этом получает наибольшую величину:

(9)

v =v -U .

Mmax m

Если Л>1, то при некотором угле поворота скорость vx может снизиться до нуля. Угол поворота p конца пальца лопасти интенсификатора битерного типа определяется из равенства

1

vx =vM =U sinpj =0 sinpj =-

U

v +v

или

. v +v . 1 Pj =at1=arcsin в =arcsin-

(10)

(11)

и ум +уе

Значение величины У1 такой точки (А1) найдется из уравнения (4) для времени /1:

Я

Y = H - Rsinat1 =(H-h)

U

(12)

v M +v

Если толщина пласта вороха к, то У1 должно быть равно к . Отсюда

Я

h=H -

U

(13)

v +v

Высота Н расположения оси C0 интен-сификатора битерного типа над линией грохота определится как

R

H=h+

U

(14)

v.. +v„

Уравнение (14) позволяет найти предельную высоту установки интенсификато-ра над линией грохота исходя из высоты h пласта вороха.

Например, для наименьшей высоты расположения оси интенсификатора битерного типа над линией грохота при наименьшей высоте пласта вороха hmin=15см получим высоту установки оси C0 относительно грохота H=18,5cm . При данных значениях H исключается травмирование клубней картофеля пальцами интенсификатора.

Радиус R интенсификатора битерного типа должен быть меньше Hmin, чтобы обеспечить свободное вращение, когда ось ин-тенсификатора битерного типа располагается над линией грохота.

Нива Поволжья № 1 (26) 2013 63

Следовательно, Итп-Я=АИ или Итп= Я+АИ. Подставляя это значение Итп в формулу (14), получим

и

Я

V +у„

-1

и

-=к ;„ -АИ .

(15)

V +v

Отсюда

и

Я=-^ (-АИ).

и

(16)

V. +v„

1

Толщина отделяемой части вороха пальцем лопасти интенсификатора битер-ного типа - одна из важнейших технологических характеристик работы малогабаритного картофелекопателя.

Толщину отделяемой части вороха ¿>шах принимаем равной радиусу АС (рис. 3) окружности с центром в точке С на наружной трохоиде, которая касается внутренней трохоиды в точке А.

Рассмотрим соседние трохоиды 1 и 2. Из точки С, лежащей на второй ветви трохоиды, проводим окружность до касания с первой ветвью трохоиды в точке А.

Произвольная точка В этой окружности с центром в точке С имеет координаты

(х-ХС)2 +(у-ус)2 = Я2, или

х2 -2хХс + Хс2 + у2-2уус+у2 = Я2 .

(17)

Дифференцируя уравнения (17), полу-

чим

йу х-хс

йх у-ус

(18)

Если начало координат (точку О) поместить на линии, проведенной по крайним нижним точкам трохоид, а за исходное положение фиксированной точки К пальца лопасти интенсификатора битерного типа принять верхнее, то через время t (при вращении интенсификатора битерного типа со скоростью и по ходу часовой стрелки и поступательном движении со скоростью vМ в направлении положительных значений по оси X) координаты точки А будут следующими:

(а(у +Ve) . ^ х=Я —--'-+ъта

I и

у=Я(1+ео8а)

(19)

где а=Ш - угол поворота пальца лопасти интенсификатора битерного типа из на-

Рис. 3. Расчетная схема к определению толщины отделяемой части вороха пальцем лопасти интенсификатора битерного типа: 1, 2 - траектории движения конца пальца лопасти интенсификатора битерного типа во время работы

чального положения в фиксируемое; с -угловая скорость интенсификатора битер-ного типа; t - время поворота пальца лопасти интенсификатора битерного типа на угол а.

Производные из уравнений (19) имеют

вид

йх А а(м +vв) ^ —=Я —---+соБа ,

йа \ и )

(20)

йу йу

—=-Яъта или -

-Б1па

йх

йх Vм +Ve

(21)

и

Координаты точки С (на соседней трохоиде) будут равны координатам точки А плюс значение подачи 5 на один палец лопасти интенсификатора битерного типа, т. е.

хс = хА +Б=Я

(а(м +Ve) . ^ 2пЯ V +v

—---+Б1па +--м—1

\ и ) т и

=Я

2пv +v ас (+ve) .

+—--+8та

т

и и

ус = Я (1+соб ас).

(22)

(23)

Приравняв производные уравнений (22) и (23), после соответствующих подстановок получим

х - х„

■+-

Б1па

у - ус

V +v

-=0,

и

-+соБа

(х - хс)

Vм +Vв

и

соьа I +$1па(у-ус)=0 .

(24)

(25)

Подставив в эти уравнения значения хс и ус преобразовав их, получим уравнения, связывающие углы а,а:

а+

+■

и ( 2п -соб! а---ас-

vм +vв \ т vм +ve

-собо, |Б1па=

и . }

-Бтас| +

и (, V -11+-^

Vм +Ve \ vм +ve

и

(26)

2п

=—+а+

т V. +v

Это трансцендентное уравнение, которое решают приближенно. По этим уравнениям определяют угол а по заданным значениям а . Затем находят координаты точек А и С, а по ним толщину отделяемой части пласта вороха как расстояние между двумя точками на плоскости:

(27)

В результате теоретических исследований малогабаритного картофелекопате-

ля с интенсификатором битерного типа получено уравнение движения пальца лопасти интенсификатора битерного типа. Получена формула для определения скорости отделения части вороха пальцем лопасти интенсификатора битерного типа.

Литература

1. Ларюшин, Н. П. Механизация производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, С. Н. Федянин, А. А. Роньжин, В. С. Бочка-рев // Научное обозрение. - 2012. - № 4. -С. 142-147.

2. Колчинский, Ю. Л. Технологии, машины и оборудование для возделывания, уборки, хранения и переработки картофеля / Ю. Л. Колчинский, Л. М. Колчина, И. К. Крюков и др. - М.: Информагротех, 1994. -192 с.

3. Ларюшин, Н. П. Эффективность применения комплекса машин для производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, С. Н. Федянин, А. А. Роньжин, В. С. Бочкарев // Нива Поволжья. - 2011. - № 4 (21). - С. 97-101.

4. СТО АИСТ 8.5 - 2010. Стандарт организации испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Методы оценки функциональных показателей. -Дата введения 2007 - 04 - 15.

5. Роньжин, А. А. Конструкция малогабаритного картофелекопателя для мелкотоварных хозяйств / А. А. Роньжин, В. С. Бочкарев, Р. В. Забегалин // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК: сборник материалов Всероссийской практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, проводимой по программе Всероссийского фестиваля науки и посвященной 150-летию со дня рождения П. А. Столыпина. Том 3. 15-16 марта. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 110-111.

6. Кухарев, О. Н. Физико-механические свойства картофеля / О. Н. Кухарев, С. Н. Федянин, В. С. Бочкарев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Пенза: РИО ПГСХА, 2010. - С. 145-146.

7. Летошнев, М. Н. Сельскохозяйственные машины: учеб. и пособ. для высш. учеб. завед. / М. Н. Летошнев. - М., 1955. -764 с.

8. Смирнов, А. А. Адаптивная технология возделывания картофеля в лесостепи Среднего Поволжья / А. А. Смирнов. -МОО «ИнфоСоюз». - 2002. - 183 с.

9. Гранов, Ф. Н. Теоретическое обоснование конструктивных параметров активно-

Нива Поволжья № 1 (26) 2013 65

го рабочего органа плуга - картофелекопателя / Ф. Н. Гранов // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012 - № 1(17). - С. 128-131.

10. Угланов, М. Б. Теоретическое определение усилия резания усовершенствованного подкапывающего лемеха картофелекопателя / М. Б. Угланов, О. П. Иванкина, С. А. Пошуков и др. // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012. - № 1(17). - С. 143-146.

11. Владимиров, В. П. Агротехнические приемы повышения продуктивности картофеля на серо-лесной почве лесостепи Среднего Поволжья / В. П. Владимиров, М. Т. Гайнутдинов, В. И. Аппанов // Вестник

Казанского ГАУ. - 2012. - № 1 (23). - С. 119-124.

12. Моисеев, Ю. Ф. Экономическая оценка агротехнических приемов возделывания картофеля / Ю. Ф. Моисеев, А. А. Самар-кин, Л. Г. Шашкаров // Вестник Казанского ГАУ. - 2012. - № 2 (24). - С. 102-106.

13. Шестаков, Н. И. Урожайность картофеля в зависимости от приемов обработки почвы перед посадкой / Н. И. Шестаков // Достижения науки и техники АПК. - 2012. -№ 11. - С. 23-25.

14. Сорокин, А. А. Теория и расчет картофелеуборочных машин / А. А. Сорокин. -М.: ВИМ, 2006. - 160 с.

УДК 621.431

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДВС

А. Л. Хохлов, канд. техн. наук, доцент

Технологический институт - филиал ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина»,

е-таИ: [email protected]

А. Ш. Нурутдинов, аспирант;

И. Р. Салахутдинов, канд. техн. наук, старший преподаватель

ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина» Д. А. Уханов, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8412) 62-85-17

Одним из действенных методов улучшения качественных параметров рабочих поверхностей гильз цилиндров ДВС является их металлизация вставками меди. Анализ данных снятых профилограмм показывает, что шероховатость рабочих поверхностей металлизированных гильз цилиндров с определенной наработкой на автомобильном двигателе по величине среднего отклонения профиля от средней линии ниже в 1,6 раза типовых гильз. Наибольшее процентное содержание меди сосредоточено в средней части рабочей поверхности металлизированных гильз. При этом в процессе работы ДВС за счет избирательного переноса меди из вставок на рабочую поверхность гильзы формируется оптимальная микрогеометрия поверхности в паре трения «гильза цилиндров -поршневое кольцо».

Ключевые слова: двигатель, гильза цилиндров, металлизация, шероховатость, элементарный состав.

Развитие автомобильного транспорта в современных условиях невозможно без постоянного совершенствования ДВС и повышения его технического ресурса. Основным фактором, лимитирующим долговечность ДВС, является износостойкость цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Повышение износостойкости ЦПГ можно осуществлять различными способами, большинство из которых применяется на этапе производства или капитального ремонта двигателей. С экономической и практической точек зрения представляет особый интерес

решение данной проблемы на этапе эксплуатации ранее выпущенных двигателей методом металлизации рабочих поверхностей гильз цилиндров [1]. Металлизация позволяет формировать на рабочей поверхности трения в процессе работы три-боузла «гильза-кольцо-поршень» тонкий слой мягких металлов, которые обладают антифрикционными свойствами.

Изнашивание, как известно, представляет собой процесс поверхностного разрушения или повреждения поверхности материала в результате механического взаи-