Теоретические исследования по изучению перекатывания сферических и тороидальных тел на примере плодов бахчевых культур Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.358:635.615

А.Н. Цепляев, М.В. Ульянов, С.В. Климов, А.В. Цепляев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ПЕРЕКАТЫВАНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ И ТОРОИДАЛЬНЫХ ТЕЛ НА ПРИМЕРЕ ПЛОДОВ БАХЧЕВЫХ КУЛЬТУР

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ВОЛГОГРАД, РОССИЯ

A.N. Tseplyaev, M.V. Ulyanov, S.V. Klimov, A.V. Tseplyaev

THEORETICAL STUDIES ON STUDYING SPHERICAL AND TOROIDAL BODIES ROLLING

ON THE EXAMPLE OF CUCURBITS FRUIT

FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «VOLGOGRAD STATE AGRARIAN UNIVERSITY» VOLGOGRAD, RUSSIA

Алексей Николаевич Цепляев

Alexey Nikolaevich Tseplyaev доктор сельскохозяйственных наук, профессор can_volgau@mail.ru

Максим Владимирович Ульянов

Maxim Vladimirovich Ulyanov кандидат технических наук ulyanovmv@mail.ru

Сергей Владимирович Климов

Sergey Vladimirovich Klimov klimsv@bk.ru

Аннотация. Уборка плодов бахчевых культур - это сложный технологический процесс. Автоматизация технологического процесса уборки является одним из перспективных направлений в данной области сельского хозяйства. Рассматриваются два способа перемещения плодов: скольжение и перекатывание. Представлены два типа процесса взаимодействия элементов валко-образователей пассивного и активного типов с плодами для их перемещения.

Валкообразователь пассивного типа предназначен для перемещения плодов в валок скольжением, а валкообразователь активного типа - перекатыванием. Конструкция бахчеуборочного комбайна с активными рабочими органами вапкообразователя наиболее перспективна.

Теоретические исследования направлены на доказательство гипотезы, что уборку плодов и кочанов капусты следует выполнять с использованием перекатывания при создании оптимальных параметров технологического процесса. Теоретически для условия захвата и перекатывания плода при постоянном движении необходимо, чтобы сумма моментов относительно точки О равнялась нулю. Перекатывание плода произойдет только в том случае, если смещение будет не менее, чем длина отрезка углубления: от центра плода до края лунки. Рассматривается процесс перекатывания плодов различной формы по поверхности поля со смещением точки контакта взаимодействия плода и почвы.

Ключевые слова: плоды бахчевых, сферические тела, тороидальные тела, валкообразователь, перекатывание, бахчеуборочный комбайн.

Алексей Витальевич Цепляев

Alexey Vitalyevich Tseplyaev can_volgau@mail.ru

Abstract. Harvesting melon fruit is a complex process. Automation of the technological process of harvesting is one of the promising areas in this field of agriculture. Two ways of moving fruit are considered they are sliding and rolling. Two types of interaction of passive and active types of swath maker elements with fruit for their movement are presented.

Passive type swath maker is designed to move fruit into a roll by sliding and active type swath maker by rolling. The design of the melon-field combine with active working bodies of the swath maker is the most promising.

Theoretical studies are aimed at proving the hypothesis that the harvesting of fruit and loafs of cabbage should be carried out using rolling to create optimal parameters of the technological process. Theoretically, for the condition of the capture and rolling of the fetus in constant motion it is necessary that the sum of the moments relative to the point O be equal to zero. Rolling of the fetus will occur only if the offset is not less than the length of the segment of the recess: from the center of the fruit to the edge of the hole. The process of rolling fruit of various shapes along the surface of the field with the displacement of the contact point of the interaction between the fruit and the soil is considered.

Keywords: melon fruit, spherical bodies, toroidal bodies, swath maker, rolling, melon-field combine.

Введение. Исследования по перекатыванию геометрических тел рассмотрим на примере работы валкообра-зователей с плодами бахчевых культур шаровидной и тороидальной форм. Для более четкого представления процессов перекатывания при взаимодействии плодов с элементами валкообразователя бахчеуборочных комбайнов представим различные типы их конструкций. Рассмотрены два типа валкообразователей: активный и пассивный. Валкообразователь пассивного типа предназначен для перемещения плодов в валок скольжением, а валкообразова-

тель активного типа - перекатыванием [6-8].

Конструкция валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа наиболее приемлема с точки зрения выполнения самых важных агротехнологических требований [2].

Для более четкого представления процессов перекатывания при взаимодействии плодов с рабочими элементами валкообразователей бахчеуборочных комбайнов рассмотрим конструкцию наиболее перспективного - с активными рабочими органами.

Методика. Разработанная конструкция (рисунок 1) со-

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и администрации Волгоградской области в рамках научного проекта № 18-41-340016\18

Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки Q3

стоит из остова 1 с закрепленным на нем движителем 2 и мультипликатором 3 с приводным звеном. Приводные звенья вращаются плоскоременными передачами. К плоским лентам монтируют лопасти 5, а прогиб лент исключается пластинами. К остову валкообразователя снизу закрепляют плетеотрывные элементы 6.

T>F.

Вместо Т и FB запишем величины:

Ntg

— а

\ 2 у

> N -tgcp.

(1)

(2)

N

F*

ч а

* н

направление движения трактора

б) В)

1 - остов валкообразователя; 2 - движитель; 3 - мультипликатор с приводным звеном; 4 -ремень; 5 - лопасти; 6 - плетеотрывной элемент; 7 - колесо копирующего механизма

а) вид сбоку; б) вид сверху; в) мультипликатор с приводным звеном. Рисунок 1 - Схема валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа

Работа валкообразователя описана ранее [3]. Валко-образователь с неподвижными пластинами представляет совершенно иную конструкцию. Его рабочий орган представлен как косая гладкая пластина, закрепленная в балке. В этом случае при взаимодействии плода с плоскостью гладкой пластины возникает усилие на радиусе ут, а их произведение -это способствующий повороту плода момент: сферической формы арбузы, тыквы легко перекатываются к оси валка.

Однако кабачки, тыквы, патиссоны и т. д. не сферической формы сдвигаются по почве, что приводит к их повреждению [4, 5]. Схема сил для указанного условия представлена на рисунке 2.

Результаты. Условие скольжения плода по поверхности пластины обеспечит его перемещение. Плод взаимодействует с почвой, образуя некоторое кольцо, а его смещение по планке возможно, если усилие на всех участках плода в виде кольцевой поверхности одинаковое. Тогда перемещение плода вдоль планки будет обеспечиваться, если

N - нормальная сила; Т- сила от движения плода вдоль пластины; Рв - сила трения поверхности плода о пластину; Р - сила действия пластины на плод; Рп - сила трения плода о поверхность почвы; Р -суммарный вектор; Ып - сила от сопротивления стенки неровности.

Рисунок 2 - Схема сил, действующих на плод при взаимодействии с пластиной пассивного валкообразователя

Допустимое значение коэффициента сдвига будет представлено в виде:

¡ScjU

7r?R-r

(3)

Для барабана, способного поворачивать плод, представлена соответствующая схема на рисунке 3. Рассмотрим схему взаимодействия барабана и плода.

Поверхность плода и поверхность плода лунки создают силу Nv а следовательно, и силу Fr

Для обеспечения условия захвата и перекатывания плода необходимо, чтобы сумма моментов относительно точки О равнялась нулю. Теоретически для условия перекатывания плода при постоянном движении необходимо, чтобы = 0

Ix = 0;F-/¥,coscf-/^sma = 0, (4)

Ly = 0:N- /V, sina + F^ cosa = 0, (5)

(N¡siria—Fcosa) -fjp N¡cosa F¡sina = 0 XMO2=0;F-rn=FT-p+F"-rn+I:-<p. (6)

Из уравнения(5)определим N

N = sina + cosa

Считаем, что при смещении почвы её поверхность контакта составляет половину внешней части тора. Внешняя часть поверхности тора: „ = я Я ■ г.

Сила трения Р равна: р = ¡\[ ■ 1 = ДГ-—.

К

где: Эц - смещение центра при перекатывании плода; Р -радиус барабана.

углубления: от центра плода до края лунки, т. е. 5 = Ьц, где: ¡^ - половина хорды шарового сегмента, взаимодействующего с почвой. Длина хорды определится:

2ЬД = г<рд,

где: (рл - центральный угол. Тогда: 1-Г(Р-

(8)

Сила трения р действующая в т. А. между вращающейся транспортерной лентой и плодом, создает момент относительно т. 02, смещая плод по движению ленты. Сила N от взаимодействия плода с почвой:

N = ¿1-0,

где: р- коэффициент перекатывания; аб - вес плода.

Перекатывание плода тороидальной формы будет обеспечиваться, если:

Р >

fn-f

1?

- 2цгп ~ — -ф

иТ

/т

(9)

1г - момент инерции твердого геометрического тела относительно оси ОЪ.

Примем для плодов арбузов и тыкв, кочанов капусты, имеющих округлую форму с небольшой погрешностью, что они представляют собой шар, а для плодов тыквы тороидальной формы, соответственно, - тор [4]. Тогда момент инерции плодов округлой формы определится по формуле:

I = -Mr2. 5

(10)

а) б)

а - схема лунки шаровидным плодом; б - схема лунки тороидальным плодом

Рисунок 3 - Схема взаимодействия активного валкообразователя с плодом тороидальной формы

Учитывая эти обозначения, получим:

(~Nl sin а + F] cos a) fk - N cos a - Ft sin a = 0. (7)

Плод, перекатываясь, создает лунку в почве, на величину которой будет влиять вес плода.

Nl=juG¡

где: ¡J - коэффициент перекатывания, G - вес плода. Сила трения F1 будет равна нормальной силе N1 умноженной на коэффициент перекатывания плода по почве f

г

где: - смещение центра плода при перемещении по почве.

Перекатывание плода произойдет только в том случае, если смещение Э будет не менее, чем длина отрезка

где: М - масса плода, кг; г - радиус плода, м.

Для плода тороидальной формы необходимо определить его площадь контакта с поверхностью. Она будет представлена как площадь некоего кольца радиусами Гвн - внутреннего и Гн - наружного.

Площадь кольца трения равна:

= - ГВн),

(11)

Учитывая уравнение И.В. Крагельского для определения трения [1] с учетом фактической площади контакта, запишем:

FTp = + fiN

(12)

где: а - коэффициент трения на единицу площади, Н/м2, (3 - коэффициент трения, равный ^ОФт - безразмерная величина, 5ф - фактическая площадь контакта, м2.

Pmin.T

Гт

(13)

_ ' Ч:

где: ¿ф- индекс формы, равный: 1ф — ~, fin-высота плода тороидальной формы, м, Dn-диаметр в поперечнике, м.

Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки

Вид А

Q

| и

Гн

ГА

гн - наружный радиус кольца трения тыквы, гн - наружный радиус плода

Рисунок 4 - Схема образования кольца трения о почву

Выводы. В результате теоретических исследований были определены такие параметры технологического процесса при перекатывании плодов по поверхности поля, как перемещение плода, допустимое значение коэффициента сдвига, условие захвата и перекатывания плода, сила трения, смещение центра при перекатывании плода и изменяющийся радиус относительно центра плода.

На основании теоретических исследований необходимо отметить, что уборку плодов округлой и тороидальной форм, как и кочанов капусты, следует выполнять с использованием перекатывания по различным поверхностям рабочих органов уборочных машин и по поверхности поля, что обеспечивается при использовании машин с активными рабочими органами и должно сопровождаться смещением точки контакта взаимодействия плода и почвы на некоторую величину S обеспечивающую образование некоторого изменяющегося радиуса относительно центра плода «р». Его значение представлено зависимостями 13. Испытания разработанного валкообразователя активного типа показали, что при уборке плодов и кочанов капусты он перемещает их в валок с повреждениями до 2%, а при работе валкообразователя пассивного типа повреждения достигают 15%.

Список литературы

1 Крагельский И.В, Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977.256 с.

2 Ульянов М.В., Ульянов А.В. Результаты проведения лабораторно-производственных испытаний валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2011. № 3 (31). С. 98-100.

3 Цепляев А.Н., Ульянов М.В., Ульянов А.В. Разработка современной машины для уборки плодов бахчевых культур // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2010. № 4 (20). С. 164-167.

4 Шапров М.Н., Абезин В.Г. Механизированная технология выборочной уборки плодов бахчевых культур // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2014 № 3 (35). С. 94-96.

5 Sakai S., Osuka К., Umeda М. Use of a heavy material handling agricultural robot for harvesting watermelons // Proceedings of the International Conference on Automation Technology for Off-road Equipment, ATOE 2004.

6 Овчинников A.C., Цепляев A.H., Шапров M.H., Абезин В.Г, Абезин Д.А., Беляков А.В., Коновалов А.А., Лазарен-

ко Я.С., Мартынов И.С., Матасов А.Н., Моторин В.А., Русяева Е.Т., Седов А.В., Сёмин Д.В., Тимошенко В.В., Ульянов М.В., Харлашин А.В., Цепляев В.А., Абдикиев П.Э., Климов С.В. и др. Комплекс современных модернизированных машин и их рабочих органов для механизации процессов бахчеводства. Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ 2018. 228 с.

7 Коновалов А.А., Филин В.И., Цепляев А.Н., Тибирь-ковА.П. Особенности весенне-летней вегетации растений тыквы Волжская серая 92 на светло-каштановых почвах Волгоградской области: Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического развития АПК и сельских территорий: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию окончания Сталинградской битвы. Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ 2018. С. 113-119.

8 Филин В.И., Коновалов А.А., Цепляев А.Н., Тибирь-ковА.П. Результаты исследования влияния гидрогеля на формирование всходов тыквы "Волжская серая" на светло-каштановых почвах Волгоградской области // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 3 (51). С. 223-230

List of references

1 Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Basics of calculations for friction and wear. M.: Mechanical Engineering. 1977. 256 p.

2 Ulyanov M.V., UlyanovA.V. The results of laboratory and production tests of the active type crop picker of active melons and gourds // News of the Orenburg State Agrarian University. 2011. № 3 (31). Pp. 98-100.

3 TseplyaevA.N., Ulyanov M.V., UlyanovA.V. Development of a modern machine for harvesting fruits of melons and gourds // Proceedings of the Nizhnevolzhsky agrouni-versity complex: science and higher professional education. 2010. № 4 (20). Pp. 164-167.

4 Shaprov M.N., Abezin V.G. Mechanized technology of selective harvesting of fruits of melons and gourds // News of Nizhnevolzhsky agro-university complex: science and higher professional education. 2014 № 3 (35). Pp. 94-96.

5. Sakai S., Osuka K., Umeda M. Use of a heavy material handling agricultural robot for harvesting watermelons // Proceedings of the International Conference on Automation Technology for Off-road Equipment, ATOE 2004.

6 OvchinnikovA.S., Tseplyaev A.N., Shaprov M.N., Abezin V.G., Abezin D.A., Belyakov A.V., Konovalov A.A., Lazaren-ko Y.S., Martynov I.S., Matasov A.N., Motorin V.A., Rusyaeva E.T., Sedov A.V., Semin D.V., Timoshenko V.V., Ulyanov M.V., KharlashinA. V., Tseplyaev V.A., Abdikiev P.E., KlimovS.V. and others. A complex of modernized machines and their working bodies for the mechanization of melon-growing processes. Volgograd: Volgograd State Agrarian University, 2018. 228 p.

7 Konovalov A.A., Filin V.I., Tseplyaev A.N., TibirkovA.P. Features of the spring-summer vegetation of pumpkin plants Volga gray 92 on light chestnut soils of the Volgograd region: World scientific and technological trends in the socio-economic development of agriculture and rural areas: materials of the international scientific-practical conference dedicated to the 75th anniversary of the end of the Battle of Stalingrad. Volgograd: Volgograd State Agrarian University, 2018. Pp. 113-119.

8 Filin V.I., Konovalov A. A., Tseplyaev A.N., TibirkovA.P. The results of the study of the influence of hydrogel on the formation of shoots of pumpkin «Volzhskaya gray» on the light chestnut soils of the Volgograd region // Proceedings of the Nizhnevolzhsk agrouniversity complex: Science and higher professional education. 2018. № 3 (51). Pp. 223-230