Анатолий Адольфович Шварц, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, shwarz@internet.ru, https://orcid.org/0000-0002-6275-5666
Илья Владимирович Коротков, аспирант, koro7kov@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-9509-3534
AnatolyA. Shwarz, Doctor of Agriculture, Professor, shwarz@internet.ru, https://orcid.org/0000-0002-6275-5666 Ilya V. Korotkov, postgraduate, koro7kov@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-9509-3534
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 17.12.2021; одобрена после рецензирования 11.01.2022; принята к публикации 11.01.2022.
The article was submitted 17.12.2021; approved after reviewing 11.01.2022; accepted for publication 11.01.2022. -♦-
Научная статья УДК 631.35
Уменьшение техногенного воздействия на почву гусеничных кормоуборочных машин
Павел Владимирович Лапик, Екатерина Сергеевна Адылина,
Андрей Евгеньевич Кузнецов, Наталия Евгениевна Сакович
Брянский государственный аграрный университет, с. Кокино, Брянская область, Россия
Аннотация. В статье описаны результаты исследования конструкций резинокордных траков гусеничных систем кормоуборочных машин методом конечных элементов с целью оптимизации их конструктивных параметров. Для изучения конструктивных элементов различных конструкций был использован программный комплекс DSMFem, созданный в Брянском государственном техническом университете. Выбрано оптимальное опорное устройство по показателю минимизации и более равномерного давления на опорное основание. Предложен путь совершенствования опорных устройств сельскохозяйственных машин, способных работать на переувлажнённых почвах, в том числе и пойменных.
Ключевые слова: гусеничный движитель, резинокордный трак, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, резиноармированная гусеница.
Для цитирования: Уменьшение техногенного воздействия на почву гусеничных кормоуборочных машин / П.В. Лапик, Е.С. Адылина, А.Е. Кузнецов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 1 (93). С. 112 - 117.
Original article
Reduction of technogenic impact on the soil of tracked forage harvesters
Pavel V. Lapik, Ekaterina S. Adylina, Andrey E. Kuznetsov, Natalia E. Sakovich
Bryansk State Agrarian University, Kokino, Bryansk region, Russia
Abstract. The article describes the results of a study of the structures of rubber-cord tracks of caterpillar systems of forage harvesters by the finite element method in order to optimize their design parameters. To study the structural elements of various structures, the DSMFem software package, created at the Bryansk State Technical University, was used. The optimal support device has been chosen in terms of minimization and more uniform pressure on the support base. A way has been proposed to improve the support devices of agricultural machines capable of working on waterlogged soils, including floodplain ones.
Keywords: crawlerdrive, rubber track, computer simulation, finite element method, rubber-reinforced caterpillar.
For citation: Reduction of technogenic impact on the soil of tracked forage harvesters / P. V. Lapik, E.S. Adylina, A.E. Kuznetsov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1): 112-117. (In Russ.).
Сложившаяся за последние годы экономическая ситуация в агропромышленном комплексе России показывает высокий уровень развития животноводства на основе кормовой базы, чему способствуют современные эффективные технологии производства различных культур, подразумевающие получение высокой урожайности. Необходимо отметить, что повышение урожайности кормовых культур в настоящее вре-
мя достигается в основном за счёт масштабной химизации и широкого применения различного вида дорогостоящих минеральных веществ. Такой подход приводит к положительному решению основной задачи агробизнеса - получению необходимой прибыли, но губителен для почв. Кроме того, снижается питательная ценность выращиваемых в таких условиях культур и увеличиваются негативные последствия при
употреблении продуктов питания, изготовленных из них.
Материал и методы. Заготовка качественных, экологически чистых натуральных кормов является достаточно актуальной проблемой. Одним из основных решений данной проблемы является использование в качестве кормовой базы травостоя пойменных лугов, где урожайность биомассы растений может достигать 80 ц/га и обладает ценными питательными свойствами [ 1]. По некоторым данным, в Нечернозёмном центре России площади пойменных лугов занимают около 40 % от естественных кормовых угодий.
Однако пойменные луга - это переувлажнённые почвы, которые обладают слабой несущей способностью, где около 30 % площади в силу высокого переувлажнения остаётся неубранной. Современная кормоуборочная техника, на которой устанавливаются колёсные движители, обладает слабой проходимостью. Более эффективными в условиях избыточного переувлажнения почв являются машины с гусеничной ходовой системой. На рисунке 1 представлены графики, отражающие степень воздействия таких движителей на почвы [2, 3]. Сравнительные эпюры распределения давления на почву показывают преимущества гусеничных движителей перед колёсными.
Исследуя существующие современные уборочные машины с гусеничными движителями,
5
способные работать на переувлажнённых почвах, в том числе и пойменных, можно выделить кормоуборочные комбайны с накопительной ёмкостью, выпускаемые заводами «Гомсельмаш» и «Дальсельмаш» (рис. 2). Данные комбайны имеют в своей конструкции гусеничные движители с резиноармированной гусеницей и могут комплектоваться и металлическими траками. Наличие накопительной ёмкости для кормоубороч-ной техники, работающей на пойменных лугах, необходимо для обеспечения технологического процесса уборки, так как транспортирующая техника (в большей степени колёсная) также не обладает достаточной проходимостью, а выгрузка заготовленного корма происходит в различные транспортные средства на твёрдом основании.
Исследования В.П. Лапика конструкций гусеничных движителей с резиноармированными лентами, металлическими и резинокордными траками показали, что резиноармированные ленты с высокими грунтозацепами и металлические траки приводят к полному уничтожению растительности по следу движителя на переувлажнённых почвах. Восстановления растительного покрова в таком случае в течение месяца не наблюдалось [3, 4]. Применение резинокордных траков позволило уменьшить глубину колеи и сохранить растительность по следу движителя. Высота растений по сравнению с естественным травостоем была на одном уровне, а густота - на
п f
- чт
/ -1
■ 1-fltr
ц ш
-, =4 Шг 1-
а 1 - Эпюры давлений на почву тракторов:
50 75 W 125 V J
(
/
а - колёсных; б - гусеничных
аб
Рис. 2 - Кормоуборочные комбайны с накопительной ёмкостью:
а - ОАО «Гомсельмаш»; б - ЗАО «Биробиджанский комбайновый завод «Дальсельмаш»
б
15 % ниже. Результаты таких исследований дали возможность совершенствовать исследуемую в работе конструкцию резинокордного трака, где лимитирующим показателем проходимости гусеничных машин является минимальное давление движителя на опорную поверхность. Этот показатель зависит как от конструктивных особенностей самого движителя и его опорных устройств, так и от материала опорных устройств.
Наше исследование посвящено совершенствованию вышеописанной конструкции резино-кордного трака с целью дальнейшего снижения давления на почву. Повышение проходимости гусеничных машин и сохранение растительности изучали в лабораторных и полевых условиях, а также с помощью компьютерного моделирования.
Результаты и обсуждение. В настоящее время происходит всё более широкое внедрение компьютерных технологий в машиностроение, причём на уровне проектирования, что позволяет исследовать оригинальные конструкции без их производства в натуре. Для решения инженерных задач (расчётов, анализа и симуляции физических процессов) необходимы программы или программные комплексы под общим названием CAE (Computer-aided engineering). С помощью таких программ нами произведён анализ резинокорд-ных траков с открытыми упругими стойками с целью снижения неравномерности распределения давления по ширине трака.
Из отечественных программ (программных комплексов) для анализа конструкций методом конечно-элементного анализа широко распространены APM Win Machine, приложение APM FEM в системе КОМПАС-SD. Из программных комплексов иностранного производства известны Nastran, MARK, ANSYS, SOLIDWORKS Simulation. Все названные программы (программные комплексы) для анализа конструкций методом конечных элементов (МКЭ) недостаточно
оценивают гиперупругие материалы, к которым относится такой конструкционный материал, как резина. Более совершенной для исследования конструктивных элементов различных конструкций является программный комплекс DSMFem, который был использован нами в представленных исследованиях.
Работа с данным программным комплексом посредством метода конечных элементов подразумевает:
- проведение исследований над натурными образцами с целью получения математических описаний поведения детали, зависимостей характеристик детали, параметров материала;
- создание 3D-моделей, идентичных натуральным;
- верификацию 3D-моделей с учётом проведённых исследований над натурными образцами;
- анализ конструкций по требуемым условиям;
- получение результатов анализа.
Были исследованы натурные образцы рези-нокордного трака с целью определения упругих свойств и его материала. Для определения жёсткости трак нагружался статически и определялась деформация в контрольных точках (рис. 3 а), индикатор А фиксировал деформацию открытой упругой стойки, индикатор Б - деформацию центральной части трака. Для определения характеристик материала трака проводился лабораторный эксперимент кубов, сделанных из подошвы и открытой упругой стойки трака, ввиду неравномерного армирования (рис. 3 б).
Следующим этапом явилось создание объективных 3D-моделей существующего резинокорд-ного трака и улучшенной конструкции. Данные модели (рис. 4) были созданы в программном комплексе DSMFem, а заложенные в них характеристики основывались на лабораторных исследованиях натурного образца резинокорд-ного трака.
аб Рис. 3 - Лабораторные исследования резинокордного трака:
а - определение жёсткости трака; б - определение характеристик материала трака
Рис. 4 - Модели траков:
а - КЭ модель исследуемого РКТ; б - КЭ модель предлагаемого РКТ
Далее была проведена верификация моделей, подтверждённая сходимостью графиков перемещений контрольных точек открытых упругих стоек траков (рис. 5).
Дальнейшая оценка конструкций трака с учётом результатов лабораторных исследований проводилась в программном комплекс DSMFem.
При моделировании по условию нагрузки на трак 3 кН были получены эпюры давления подошвы трака для исследуемого (рис. 6 а) и предлагаемого (рис. 6 б) РКТ.
Рис. 5 - Зависимость перемещения точки открытой упругой стойки трака от прилагаемой нагрузки
Сравнительная характеристика работы РКТ по условию нагрузки на трак 3 кН представлена на рисунке 7.
Эпюры распределения давления показывают значительное снижение неравномерности распределения давления по ширине трака у предлагаемой конструкции трака по сравнению с исследуемой на 18,2 %. При этом коэффициенты неравномерности, как отношения максимального давления к минимальному, для исследуемого и предлагаемого траков соответственно составили 2,14 и 1,75. На данную конструкцию резино-кордного трака получен патент на изобретение (патент РФ на изобретение № 2554899) [5].
Результаты сравнения конструкций двух траков показали превосходство трака с центральным демпфирующим узлом, но при этом возник вопрос актуальности применения этого узла ромбовидной формы. Ввиду эксплуатационных особенностей резины как конструкционного материала нужно учесть, что применение в конструкции острых углов при динамической разновекторной нагрузке - не лучший вариант. Поэтому была предложена конструкция резинокордного трака [6], представленная на рисунке 8.
Как видно по рисунку 8, РКТ был усовершенствован следующим образом:
- в центральной части демпфирующий узел ромбовидной формы заменён на узел цилиндрической формы; таким образом, должен повыситься уровень надёжности данного узла за счёт отсутствия острых углов, которые могут являться слабыми звеньями конструкции;
Рис. 6 - Результаты компьютерного моделирования методом КЭ:
а - исследуемый трак; б - предлагаемый трак
1- предлагаемый РКТ
2- исследуемый РКТ
Рис. 7 - Сравнительные характеристики работы траков при нагрузке 3 кН
Рис. 8 - Усовершенствованный резинокордный трак:
1 - центральный цилиндрический демпфирующий узел; 2 - поперечные рёбра жёсткости протекторной части открытой упругой стойки
- внутри открытых упругих стоек на протекторной части добавлены поперечные рёбра жёсткости, которые способствуют повышению жёсткости протекторной части и соответственно выравнивают эпюру давлений по ширине трака по второму (от края трака) датчику.
На данную конструкцию также был получен патент на изобретение [7].
Дальнейшее компьютерное моделирование усовершенствованного трака показало ожидаемый эффект - коэффициент неравномерности распределения давлений по ширине снизился до значения 1,66, что составляло 22,4 % относительно исследуемого трака.
Компьютерное моделирование конструкций опорных устройств позволило, опираясь на экспериментальные данные, оптимизировать конструкцию, что в свою очередь обусловило повышение проходимости гусеничных машин и снижение техногенного воздействия на почву и растительность.
Все вышеописанные аспекты справедливы для переувлажнённых почв [8], где наиболее эффективно себя показали резинокордные траки,
но по исследованию В.П. Лапика [3] известно, что для почв с нормальной влажностью эффективнее применять резиноармированные гусеницы (РАГ), конструкцию которых необходимо совершенствовать в том числе и в сторону улучшения динамических свойств.
Проведённое исследование позволило сделать вывод о том, что линия совершенствования опорного устройства должна в себя включать: минимизацию динамических нагрузок; оптимальность распределения давления по ширине опорного устройства; оптимальность распределения давления по длине опорного устройства; необходимую тяговую характеристику; минимальное буксование; экологичность по показателю сохранности почвы и растительного покрова.
Список источников
1. Ториков В.Е., Белоус Н.М., Солдатенков Е.П. Практикум по луговому кормопроизводству: учеб. пособие. Брянск: Изд-во Брянская ГСХА, 2010. 336 с.
2. Лапик В.П., Французов В.С., Адылин И.П. Исследование уплотнения почвы МТА // Вестник Брянской ГСХА. 2012. № 1. С. 35 - 37.
3. Лапик В.П. Механико-технологические основы взаимодействия гусеничных движителей кормоуборочных машин с переувлажнённой пойменной почвой: дис. ... д-ра техн. наук. Брянск, 2015. 327 с.
4. Лапик В.П., Адылин И.П. Применение резино-кордных траков в гусеничном движителе // Техника в сельском хозяйстве. 2013. № 1. С. 27.
5. Патент 087801 Российская Федерация. Эластичный трак гусеницы транспортного средства / Лапик В.П., Адылин И.П.; № 2012155435/11; заявит. и патентооблад. ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»; заявл. 19.12.2012.
6. Лапик В.П., Адылин И.П. Усовершенствование резинокордного трака гусеничного движителя // Сельский механизатор. 2015. № 3. С. 30 - 31.
7. Патент 196941 Российская Федерация. Эластичный трак гусеницы транспортного средства / Лапик В.П., Адылин И.П., Кузнецов А.Е., Малашенко Ю.А., Лапик П.В. № 2019131658; заявл. 07.10.2019; опубл. 23.03.2020.
8. Лапик В.П., Адылин И.П. Снижение отрицательного воздействия на переувлажнённые почвы гусеничных движителей кормоуборочных машин путём применения резинокордных траков // Вестник Брянской ГСХА. 2011. № 1. С. 28 - 31.
References
1. Torikov V.E., Belous N.M., Soldatenkov E.P. Workshop on meadow fodder production: studies. stipend. Bryansk: Publishing house of the Bryansk State Agricultural Academy, 2010. 336 p.
2. Lapik V.P., Frenchov V.S., Adylin I.P. MTA soil compaction study. Vestnik of the Bryansk State Agricultural Academy. 2012; 1: 35-37.
3. Lapik V.P. Mechanical and technological bases of interaction of caterpillar propellers of forage harvesters with waterlogged floodplain soil: dis. ... Dr. of Technical Sciences. Bryansk, 2015. 327 p.
4. Lapik V.P., Adylin I.P. The use of rubber-cord tracks in a caterpillar engine. Equipment in Agriculture. 2013; 1: 27.
5. Patent 087801 Russian Federation. Elastic track of a vehicle caterpillar / Lapik V.P., Adylin I.P.; No. 2012155435/11; will declare and patented. FGBOU VPO «Bryansk State Agricultural Academy»; dec. 12/19/2012.
6. Lapik V.P., Adylin I.P. Improvement of the rubber-cord track of the main propulsion. Selskiy Mechanizator. 2015; 3: 30-31.
7. Patent 196941 Russian Federation. Elastic track track of a vehicle / Lapik V.P., Adylin I.P., Kuznetsov A.E., Malashenko Yu.A., Lapik P.V. No. 2019131658; dec. 07.10.2019; publ. 03/23/2020.
8. Lapik V.P., Adelin I.P. to reduce the negative impact on the feather-moist soil tracked propulsion forage machines by the use of rubber-cord trucks. Vestnik of the Bryansk State Agricultural Academy. 2011; 1: 28-31.
Павел ВладимировичЛапик, аспирант, pasha_lapik@mail.ru Екатерина Сергеевна Адылина, аспирант, katya_borisova1996@mail.ru Андрей Евгеньевич Кузнецов, аспирант, kuznetsov@bryanskselmash.ru
Наталия Евгениевна Сакович, доктор технических наук, nasa2610@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6154-4445
Pavel V. Lapik, postgraduate, pasha_lapik@mail.ru
Ekaterina S. Adylina, postgraduate, katya_borisova1996@mail.ru
Andrey E. Kuznetsov, postgraduate, kuznetsov@bryanskselmash.ru
Natalia E. Sakovich, Doctor of Technical Sciences, nasa2610@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6154-4445
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 15.12.2021; одобрена после рецензирования 27.12.2021; принята к публикации 11.01.2022.
The article was submitted 15.12.2021; approved after reviewing 27.12.2021; accepted for publication 11.01.2022. -♦-
Научная статья УДК 621.797
Системный подход к изучению взаимодействия абразивной частицы с поверхностью шейки коленчатого вала
Максим Владимирович Панов, Татьяна Васильевна Панова
Брянский государственный аграрный университет, с. Кокино, Брянская область, Россия
Аннотация. В статье изложены результаты исследований минеральных и органоминеральных материалов на триботехнические свойства сопряжения. Теоретические исследования проводились на основе современных представлений о процессах, происходящих при абразивном изнашивании частиц на поверхности шеек коленчатых валов. Экспериментальные исследования проводились на спроектированной и изготовленной установке, моделирующей процесс работы шейки коленчатого вала в условиях нормальной запылённости и запылённости, превышающей предельно допустимые концентрации. Показано, что свойства смазочных материалов зависят от условий работы агрегатов, в которых они эксплуатируются. Сохранение требуемых триботехнических свойств смазочных материалов является важным для механических устройств, эксплуатируемых в агрессивных средах с высокой долей абразивных частиц и повышенными температурами. В таких условиях эксплуатируется большинство узлов сельскохозяйственных машин и агрегатов.
Ключевые слова: коленчатый вал, износостойкость, технология, покрытие.
Для цитирования: Панов М.В., Панова Т.В. Системный подход к изучению взаимодействия абразивной частицы с поверхностью шейки коленчатого вала // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 1 (93). С. 117 - 122.
Original article
System approach to studying the interaction of an abrasive particle with the surface of the crankshaft neck
Maxim V. Panov, Tatiana V. Panova
Bryansk State Agrarian University, Kokino, Bryansk region, Russia
Abstract. The article presents the results of studies of mineral and organo-mineral materials on the tribotechnical properties of conjugation. Theoretical studies were carried out on the basis of modern ideas about the processes occurring during abrasive wear of particles on the surface of the crankshaft journals. Experimental studies were carried out on a designed and manufactured installation that simulates the process of operation of the crankshaft journal under conditions of normal dust content and dust content exceeding the maximum allowable concentra-