CC BY
4АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 629.114.2.073
ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСКОВО-ЛАПОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ТЯГОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ КУЛЬТИВАТОРА
Горобей В. П., кандидат технических наук, старший научный сотрудник; Скориков Н. А., кандидат технических наук, старший научный сотрудник; Старчиков С. С., ведущий инженер; ФГБУН «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия "Ма-гарач" РАН»;
Москалевич В. Ю., кандидат технических наук, доцент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Проведены исследования экспериментальных рабочих органов, с использованием зубчатого диска в качестве разрезающего ножа, установленного на двухпружинной подвеске перед культиваторными лапами. При их по-ступальном движении по обрабатываемой почве применялась специальная установка, позволяющая оперативно определять нагрузочную динамику движения рабочего органа при взаимодействии с почвой - тяговую и параметры вибрации. Анализ амплитудных спектральных диаграмм показал, что с увеличением высоты зубцов диска (1...3 см) максимум амплитуд колебаний сме-
THE RELATIONSHIP BETWEEN TECHNICAL CHARACTERISTICS OF DISK-SNOW WORKING BODIES WITH TRACTION RESISTANCE OF THE CULTIVATOR
Gorobey V. P., Candidate of Technical Sciences, Senior researcher; Skorikov N. A. Candidate of Technical Sciences, Senior researcher; Starchikov S. S., Leading engineer; FSBSI «ALL-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking "Magarach" RAS»
Moskalevich V. Y., Candidate of Technical Sciences, Assosiate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
Studies of experimental working bodies, using a toothed disc as a cutting knife mounted on a two-spring suspension in front of the cultivator legs. At their forward movement on the processed soil the special installation allowing to define quickly loading dynamics of movement of the working body at interaction with soil - traction and vibration parameters was applied. The analysis of the amplitude spectral diagrams showed that with the increase in the height of the disc teeth (1...3 cm) the maximum of the vibration amplitudes shifts from low frequencies (0.5...2.5) at higher frequencies (4.5...5 Hz). To
25
щается с низких частот (0,5...2,5) на более высокие частоты (4,5...5 Гц). Для исключения грабельного эффекта культиватора виноградникового, снижения энергетических затрат и повышения надежности культивации и рыхления почвы предложено использование зубчатого дискового ножа, установленного на виброподвеске.
Ключевые слова: обработка почвы, междурядья, рабочий орган, дисковый нож, двухпружинная подвеска, вибрация, тяговое сопротивление, амплитуда, частота.
Введение. При обосновании эксплуатационных параметров машин для обработки почвы среди основных технических характеристик конструктивные особенности, унификация рабочих органов и масса, могут привести к отягощению условий оперативности технологических процессов и уменьшению их надежности вследствие неопределенности их усложнения и завышения массы.
Культиватор снабжают лапами на жестких и пружинных стойках, окучивающими корпусами и дисками - сплошными, вырезными и игольчатыми [1]. Хорошая обработка почвы обеспечивается культиваторами при постоянной глубине рыхления. Для этой цели на них устанавливают опорные колеса, обеспечивающие копирование рельефа почвы. Тяговое сопротивление навесных культиваторов для сплошной обработки при рыхлении с шарнирным креплением рабочих органов КПН-3, шириной захвата 3 м, при глубине культивации до 14 см - 500-850 кгс и КПКА-3, при глубине культивации до 13 см - 50-700 кгс и с жестким креплением рабочих органов ККН-2,25Б и КПН-2, шириной захвата 2,25 и 2,1 м при глубине культивации до 12-14 см составляет 700-1000 кгс [2, 3].
Для снижения тягового сопротивления, нагрузки на трактор и уменьшения износа рыхлительной лапы или лемеха и отвала сокращения затрат на ГСМ, технического обслуживания и ремонта МТА перед рабочим органом (культива-торной лапой или корпусом плуга) почвообрабатывающего орудия устанавливают разрезающий дисковый нож [4,5]. Экспериментальными исследованиями показано, что колебания стойки с плоской формой сечения в диапазоне частот 25-35 Гц снижает тяговое сопротивление в среднем на 15%, на эффективность вибраций оказывает влияние конструктивное оформление рабочего органа [6, 7].
Для замера тягового сопротивления навесных сельскохозяйственных орудий применение тензометриеских рамок, динамометрических звеньев и тензометрических тяг оправдано в тех случаях, когда задачей исследований является определение не только тягового сопротивления орудий, но также вер-
exclude the rake effect of the vineyard cultivator, reduce energy costs and improve the reliability of cultivation and loosening of the soil, the use of a toothed disk knife mounted on a vibrating suspension is proposed.
Key words: tillage, spacing, actuator, disc knife, dupreziana suspension, vibration, pulling resistance, amplitude, frequency.
26
тикальных и поперечных сил, действующих в точках соединения трактора с навесным орудием. Регистрация большого количества параметров, в том числе углов наклона тензометрических тяг, вызывает значительные погрешности определения измеряемых сил и высокую трудоемкость обработки результатов измерений. Отмеченные особенности этих способов ограничивают их применение для целей линейного динамометрирования [8]. Для исследований ви-брационно-тягових параметров почвообрабатывающих рабочих органов была разработана специальная измерительная установка, которая дает возможность одновременно проводить определение относительных значений вибрации и тягового сопротивления путем выведения сменных, в зависимости от агротех-нологических условий, величин исследуемых параметров в виде графических зависимостей на монитор компьютера [9].
Для возможностей сравнения энергетических затрат при обработке разнообразных типов почв различных условиях работы по влажности почв, глубине хода рабочих органов и скорости обработки введены понятия удельного сопротивления почвы к при ее деформации Р{, (в соответствии с пределом прочности в сопротивлении материалов) по Горячкину: на легких почвах составляет 2 Н/см2; на средних - 3 Н/см2 ; на тяжелых - 4-5 Н/см2 и рассчитывается как отношение тягового усилия трактора к площади поперечного сечения деформируемых корпусами почвенных слоев:
к = Р, / а • Ь • п,
где: а и Ь - соответственно глубина обработки почвы и ширина захвата корпуса;
п - количество корпусов [10].
На основании ранее обоснованных параметров конструкций вибрационного чизельного рыхлителя почвы включающего в себя стойку, соединенную с рамой при помощи шарнира и упругого элемента и установленным перед ней разрезающим ножом, нижний конец которго связан шарнирно со стойкой, а верхний с рамой упругим элементом [11] и зубчатого дискового ножа, для получения устойчивого динамического фактора использовалась установленная сверху на шарнирно прикрепленном рычаге к корпусу дискового ножа штанге нажимная пружина и пружина автоколебаний, установленная между рычагом и корпусом на уровне передней части ножа обеспечивающих режимы устойчивых колебаний были изготовлены культиваторные рабочие органы и проведены измерения их тягового сопротивления [12].
Определение взаимосвязи динамических и энергетических характеристик дисково-лаповых рабочих органов с тяговым сопротивлением культиватора виноградникового является актуальной задачей.
Материал и методы исследований. Исследования экспериментальных комбинированных рабочих органов проводили в почвенном канале Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского» по ранее разработанной методике [9]. Перед культиваторной рыхлительной
27
лапой в качестве разрезающего ножа устанавливался диск диаметром 350 мм с цельной поверхностью или зубчатый на двухпружинной подвеске. Для получения устойчивого динамического фактора использовались установленная сверху на шарнирно прикрепленном рычаге к корпусу дискового ножа штанге нажимная пружина и пружина автоколебаний, установленная между рычагом и корпусом на уровне передней части ножа. Энергетические показатели работы исследуемых рабочих органов оценивались по общему Р(Н) тяговому сопротивлению, а также по удельным энергозатратам в зависимости от глубины рыхления и скорости движения. Для рабочих органов на пружинной подвеске учитывалось влияние амплитуды и частота колебаний. Математическая обработка результатов измерений и их графическое исполнение осуществлялось с использованием программного обеспечения VS Ехе1, MathCAD.
Результаты и обсуждение. Схема экспериментального рабочего органа представлена на рис. 1. Количество зубьев обосновано энергетической составляющей резания с учетом бионического подобия [13].
Рисунок 1. Схема рабочего органа почвообрабатывающего орудия с дисковым зубчатым разрезающим ножом на двухпружинной подвеске: 1 - нож; 2 - корпус; 3 - рычаг; 4 - нажимная пружина; 5 - балка; 6 - механизм регулирования глубины хода; 7 - пружина автоколебаний ; 8 - стойка со стрельчатой лапой
Разрезающие зубчатые дисковые ножи для исследований брали высотой зуба: 10; 20; 30 мм, общее количество зубьев - 18, общий вид ножей для экспериментальных исследований представлен на рис. 2.
Исследованиями зависимости тягового сопротивления комбинированного рабочего органа в зависимости от высоты зубов диска при разных скоростях (4; 5 и 8 км/ч ) установлено [14], что с увеличением высоты зубьев диска тяговое сопротивление комбинированного рабочего органа уменьшается за обратной зависимостью. Комплексный анализ результатов исследований позволил определить, что оптимальной высотой зубьев диска, что разрезает, есть h = 3 см.
4
5
6
28
Рисунок 2. Общий вид разрезающих дисковых ножей : 1 - с цельной поверхностью; 2 - с высотой зубьев 1 мм; 3 - высотой зубьев 2 мм; 4 - высотой зубьев 3 мм
На рис. 3 показаны графики автокореляционных функций тягового сопротивления Яр, колебаний Яа и взаимокореляционной функции Яр-а дисково-лапового рабочего органа.
1,0 0,8 К 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 ^ С 4,0
а
1,0 0,8 я
0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Г, С 4,0 4,5 5,0
б
1,0 0,8 /? 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 ^ с 4,0 4,5 5,0
в
Рисунок 3. Графики автокореляционных функций тягового сопротивления Яр, колебаний Яа и взаемокореляционной функции Яг-а дисково-лапового рабочего органа: а - высота зубьев 1 см; б - высота зубьев 2 см; в - высота зубьев 3 см,
:1
; V / ■ л
щ '1 -■■■ - ч/ - V ¡Ж л/
■ и л > , л.
V
29
Рассмотрение представленных функций указывает на то, что в процессе колебательного взаимодействия дискового ножа с почвой присутствуют периодическая и случайная составные. Первая составная обусловлена периодическим врезанием зубьев диска, что режет, а вторая - неравномерным распределением свойств почвы, которая вызывает случайные колебательные изменения тягового сопротивления рабочего органа. С увеличением высоты зубьев диска тяговое сопротивление дисково-лапового узла уменьшается за обратной зависимостью, темп роста тягового сопротивления в зависимости от скорости движения уменьшается. Особенно это видно по сравнению с диском с цельной поверхностью.
Полученный экспериментальным путем результат подтверждает правильность приведенного теоретического обоснования [13]. С анализа автоко-реляционных функций тягового сопротивления Яр , колебаний Яа и взаимоко-реляционной функции Яр.а дисково-лапового рабочего органа можно сделать заключение, что с увеличением высоты зубьев дискового ножа, растет влияние периодизированной составной колебаний. Этим объясняется уменьшение тягового сопротивления дисково-лапового рабочего органа при увеличении высоты зубьев разрезающего диска [14].
Алгоритм быстрого преобразования Фурье, использованный в исследованиях, дает возможность оценивать спектральные плотности колебательных процессов, применив финитное преобразование непосредственно к реализации процесса во временном измерении. При таком подходе на практике операция нахождения математического ожидания выполняется путем оценивания спектральных значений для каждого набора реализаций, а потом полученные результаты усредняются [12].
Спектральная плотность является хорошим аппроксимированием циклического взаимодействия разрезаемого зубчатого диска с почвой и вызванной ею вибрацией ножа на упругой подвеске. Когда периодический вибрационный процесс смешивается со случайными колебаниями, то результирующий спектр равняется сумме спектров составных. Это указывает на то, что циклический процесс осуществляется на случайном фоне.
Важным преимуществом взаимного спектрального анализа по сравнению с корреляционным есть то, что для получения значимых результатов не нужна бездисперсионность среды, в которой проводятся исследования.
На рис. 4 показаны амплитудные спектральные диаграммы колебаний дис-ково-лапового рабочего органа.
Анализ амплитудных спектральных диаграмм показал, что с увеличением высоты зубцов диска показал, что максимум амплитуд колебаний тягового сопротивления смещается с низких частот (0,5...2,5) на более высокие частоты (4,5...5 Гц). При этом амплитуды составляющих тягового сопротивления уменьшаются, особенно на частотах от 0,5 до 4 Гц, что свидетельствует о стабилизации процесса работы экспериментального рабочего органа.
30
О 1 2 3 4 5 /г Гц б О 1 2 3 4 /, Гц 5
а 6
250 Р, Н 150 100 50
О 1 2 3 4 5 /, Гц 6
в
Рисунок 4. Амплитудные спектральные диаграммы колебаний дисково-лапового рабочего органа: а - высота зубьев 1 см; б - высота зубьев 2 см; в - высота зубьев 3 см
Выводы. Для исключения грабельного эффекта, снижения энергетических затрат и повышения надежности культивации и рыхления почвы предложено использование зубчатого диска в качестве разрезающего ножа, установленного на двухпружинной подвеске перед рабочими органами. Исследованиями рабочего органа почвообрабатывающего орудия установлены снижение тягового сопротивления и принципиальная целесообразность использования подпружиненных дисковых зубчатых ножей в конструкциях виноградниковых культиваторов.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования, науки и молодежи Республики Крым в рамках научного проекта № 18-48-910001.
* ft
и / -лл/ / \
Список использованных источников:
1. Механизация полеводства /Алехин Н. В. и др.; под ред. А. Н. Карпенко. - М.:Гос.изд-во сельскохоз. лит-ры, 1958. - 533 с.
2. Циммерман М. З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин/ М. З. Циммерман. М.: Машиностроение, 1978. - 296 с.
3. Синеоков Г. Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г. Н. Синеоков, И. М. Панов.- М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.
References:
1. Mechanization of farming /Alek-hine N. V. etc.; ed. A. N. Karpenko. -M.: State.publishing house of agricultural. lit-ry, 1958. - 533 p.
2. Zimmerman M. Z. Working bodies of tillage machines / M. Z. Zimmerman. M.: Mechanical Engineering, 1978. - 296 p.
3. Sineokov G. N. Theory and calculation of tillage machines / G. N. Sineokov, I. M. Panov. - Moscow: Mechanical Engineering, 1977. - 328 p.
31
4. Кушнир В. Г. Совершенствование стерневого сошника / В. Г. Куш-нир // Тракторы и сельхозмашины.-2014. - № 2. - С. 34-35.
5. Сельскохозяйственные машины/ Научн. редактор А. Н. Карпенко. Изд. 3-е, перераб. И доп. М., «Ко-лолс», 1975. - С. 26-27.
6. Кондратьев В. Л. К проблеме исследования вибрационных процессов, возникающих при работе культиватор-ной лапы с упругой стойкой / В. Л. Кондратьев // Конструирование рабочих органов сельскохозяйственных машин. -Ростовский-на-Дону институт сельскохозяйственного машиностроения. Ростов-на-Дону. - 1971. - С. 213-215.
7. Назаров С. И. Закономерности сопротивления почвы подпружиненным деформаторам / С. И. Назаров / Вестник сельскохозяйственной науки. — 1989.- № 8. - С. 74-80.
8. Владимиров А. И. Методы и устройства для замера тягового сопротивления навесных сельскохозяйственных орудий / А. И. Владимиров, Д. З. Стародинский, И. П. Шподарен-ко / М.: ЦНИИТЭ-Итракторсельхоз-маш, 1974. - 34 с.
9. Горобей В. П. Лабораторные исследования тягового сопротивления рабочих органов для обработки почвы и посева / В. П. Горобей, О. Е. Тари-мов, Л. Ф. Бабицкий, В. Ю. Москале-вич // Научные труды ЮФ НУБиП Украины «КАТУ». - Симферополь. -2012.- №150, - С. 69-71.
10. Сысолин П. В. Почвообрабатывающие и посевные машины / П. В. Сысолин, Л. В. Погорелый. - К.:Фе-никс, 2005.- 264 с.
11. Бабицкий Л. Обоснование основных параметров вибрационных чи-
4. Kushnir V. G. Improvement of stubble Coulter / V. G. Kushnir // Tractors and agricultural machinery. - 2014. -№ 2. - P. 34-35.
5. Agricultural machines / Scientific. editor A. N. Karpenko. Ed. 3-e, Rev. And additional, M., «Colors», 1975. -P. 26-27.
6. Kondrat'ev V. L. To the problem of the study of vibration processes that occur when you work the cultivation legs with elastic stand / V. L. Kondrat'ev, // Design rabochih bodies of agricultural machinery. - Rostov-on-don Institute of agricultural engineering. Rostov-on-don. -1971. - P. 213-215.
7. Nazarov S. I. Regularities of soil resistance to spring-loaded deformers / S. I. Nazarov / Bulletin of agricultural science. - 1989. - № 8. - P. 74-80.
8. Vladimirov A. I. Methods and devices for measuring the tractive resistance of mounted agricultural implements / A. I. Vladimirov, D. Z. Starobinsky, I. P. Spodarenko / M: Createmetaruleset, 1974. - 34 p.
9. Gorobei V. P. Laboratory tests of traction resistance of the working bodies for tillage and seeding / V. P. Gorobei, O. E. Tarimo, L. F. Babitsky, V. Yu. Mos-kalewicz // proceedings of LF Nulesu «CATU». - Simferopol. - 2012.- № 150, -P. 69-71.
10. Sycolin P. V. soil-Cultivating and sowing machine / P. V. Sycolin, L. V. Po-gorely. - K.:Phoenix, 2005.- 264 p.
11. Substantiation of the main parameters of vibrating chisel soil rippers / L. Babitsky, V. Moskalevich Technical and technological aspects of development and testing of new equipment and technologies for agriculture of Ukraine: ZB. sciences. works / UkrNIA on forecas-
32
зельных рыхлителей почвы/ Л.Бабицкий, В. Москалевич Техшко-техно-лопчш аспекти розвитку та випробу-вання ново! техшки i технологiй для сшьського господарства Укра!ни: Зб. наук. праць / УкрНД1 по прогнозуван-ню та випробуванню технiки i тех-нологiй для с.-г. виробництва (Укр-НД1ПВТ); Редкол.: Л. В. Погорший (голов.ред.) та iн.- Дослiдницьке, Ви-пуск 6 (20), кн.2. - 2003.- С. 230-233.
12. Горобей В. П. Исследование динамических и энергетических характеристик дисково-лапового рабочего органа садового культиватора / В. П. Горобей, А. В. Сильвестров, Л. Ф. Бабицкий / Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - 2018, № 14 (177). - С. 102-112.
13. Горобей В. П. Обоснование параметров зубчатого диска сошника к селекционной сеялке / В. П. Горобей // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. -№ 10. - С. 36-38.
14. Горобей В.П. Исследование тягового сопротивления рабочего органа почвообрабатывающего орудия с зубчатым дисковым ножом / В. П. Горобей //Машиностроение: инновационные аспекты развития: Материалы международной научно-практической конференции. - СПбФ НИЦ МС, 2019. - № 2. - С. 90-93.
15. Бендат Дж. Применения корреляционного и спектрального анализа / Дж.Бендат, А.Пирсол - Пер. с англ. -М.: Мир, 1983. - 312 с.
ting and testing of equipment and technologies for agriculture production (UkrNIIPIT); Rare.: L. V. Pogorely (Pres. ed.) and others - Research, Issue 6 (20 kn. 2. - 2003.- P. 230-233.
12. Gorobey V. P. Study of dynamic and energy characteristics of the disk-foot working organ of the garden cultivator / U. P. gorobey, A.V. Silvestrov, L. F. Babitsky/ proceedings of the Tav-rida science artel. - 2018, № 14(177). -P. 102-112.
13. Gorobey V. P. Justification of the parameters of the toothed disc of the Coulter to the selection seeder / V. P. Gorobey //Tractors and agricultural machinery.- 2014. - №10. - P. 36-38.
14. Gorobey V. P. Research of traction resistance of the working body of the tillage tool with a toothed disk knife / V. P. Gorobey // mechanical engineering: innovative aspects of development: Materials of the international scientific and practical conference. - SPbF nits MS, 2019. - № 2. - P. 90-93.
15. Bendat George. Applications of correlation and spectral analysis / J. Ben-dat, A. Piersol - Per. with English. - M.: Mir, 1983. - 312 p.
Сведения об авторах:
Горобей Василий Петрович - кандидат технических наук, старший научный сектора разработки и исследований макетных и экспериментальных
Information about the authors:
Gorobey Vasiliy Petrovich - Candidate of Technical Sciences, Senior scientific sector of development and research of model and experimental technological
33
технологических установок Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия «Магарач» РАН», e -mail: magarach@ rambler.ru, Республика Крым, 298600, г. Ялта, ул. Кирова, 31;
Скориков Николай Андреевич -кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории технологического оборудования и механизации сельского хозяйства Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия «Магарач» РАН», e-mail: magarach@ rambler.ru, Республика Крым, 298600, г. Ялта, ул. Кирова, 31;
Старчиков Сергей Сергеевич -ведущий инженер сектора разработки и исследований макетных и экспериментальных технологических установок Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Всероссийский национальный научно-исследовательский институт виноградарства и виноделия «Магарач» РАН», e-mail: magarach@ rambler.ru, Республика Крым, 298600, г. Ялта, ул. Кирова, 31;
Москалевич Вадим Юрьевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского», e-mail: v_moskalevich@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
installations, Federal State Budget Scientific Institution «All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winema-king "Magarach" of RAS», e-mail: magarach @rambler.ru, Republic of Crimea;
Skorikov Nikolai Andreevich - Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher of the Laboratory of Technological Equipment and Agricultural Mechanization Federal State Institution of Science «All-Russian National Research Institute of Viticulture and Wine-Making "Magarach" of the Russian Academy» of Sciences, e-mail: magarach@ rambler.ru, Republic of Crimea, 298600, Yalta, st. Kirov, 31;
Starchikov Sergey Sergeevich - leading engineer, sector of development and research of model and experimental technological installations Federal State Budget Scientific Institution «All-Russi-an National Research Institute of Vitiul-ture and Winemaking "Magarach" of RAS», e-mail: magarach@rambler.ru, Republic of Crimea;
Moskalevich Vadim Yurievich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, associate Professor of the Section of mechanization and technical services in AIC of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work of Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: v_moskalevich @mail.ru, FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
34
