employee
Russian Federation
graduate student
Russian Federation
employee
Russian Federation
employee
Russian Federation
student
Russian Federation
student
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
OKSO 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
TBK 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
When performing the technological process of soil cultivation, a self-propelled rotary tiller moves due to the adhesion force of the drive wheels to the soil. Engine power is spent on overcoming rolling resistance of driving wheels, friction of the support slide on the soil and resistance to soil cutting by active working elements, and part of the power is lost in the transmission. Given the specific features of the functioning of a self-propelled small-sized rotary tiller with a vertical axis of rotation of active working units, namely its traction-drive nature of work, the equation for traction balance is a condition ensuring its uniform movement. When moving around the field of a self-propelled rotary tiller between the drive wheels and the soil, an FTK traction force arises, which is aimed at overcoming the drag forces when rolling the drive wheels FCK and overcoming the friction force Ffп of the support runner with the soil. In the process of tillage with rotor knives, forces arise, Fy1(Fy2), Fx1(Fx2). The force of gravity Fgм applied at the center of gravity also acts on the tillage aggregate, which can be decomposed into components: gravity Fgк,attributable to the drive wheels and gravity Fgф attributable to the rotary tiller. Based on the analysis of the forces acting on a self-propelled small-sized rotary tiller with a vertical axis of rotation of active working elements, the condition for uneven movement (stability of movement) is made. The solution of the equation regarding the number of rotors allows us to obtain the dependence of their optimal number on the design parameters of the cutter, operating conditions and soil conditions.
rotor, stability of movement, vertical tillage mill, slipping of driving wheels, soil
Введение. Как показывают исследования в области функционирования средств малой механизации, а именно малогабаритных почвообрабатывающих фрез, фрезерных мотокультиваторов и мотоблоков в агрегате с тяговыми и приводными рабочими органами, одним из основных критериев, характеризующих высокую эффективность работы почвообрабатывающих агрегатов, является обеспечение их условий устойчивости [1, 2].
Вопросы устойчивости движения самоходных малогабаритных машин при их агрегатировании с плугом или почвообрабатывающей фрезой представлены в работе [2]. При этом решение ряда вопросов было дано в общем виде, что не позволяет обеспечить комплексный подход при изучении вопроса устойчивости движения с учетом технологических режимов работы машины и конкретных почвенных условий. Более подробно устойчивость движения самоходных малогабаритных почвообрабатывающих фрез с ведущими колесами представлены в исследованиях [3, 4, 5]. Исследователями были получены условия обеспечивающие устойчивость движения машины при отсутствии буксования ведущих колес, самопроизвольного перекатывания и качания в продольно вертикальной плоскости. Однако данные условия получены с учетом специфики взаимодействия активных рабочих органов (АРО), имеющих горизонтальную ось вращения с почвой и заключающихся в подталкивающем и выглубляющем эффекте.
Цель исследования: установление условия устойчивости и определение основных конструктивных параметров самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения активных рабочих органов при равномерном движении.
Условия, материалы и методы исследований. Опираясь на ранее проведенные теоретические исследования устойчивости движения самоходных малогабаритных машин, предлагается анализ устойчивости движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО.
При выполнении технологического процесса обработки почвы, самоходная фреза перемещается за счет силы сцепления ведущих колес с почвой. При этом мощность двигателя расходуется на преодоление сопротивлений при перекатывании ведущих колес, при трении опорного полозка о почву и сопротивление резанию почвы на АРО, а также часть мощности теряется в трансмиссии [3, 4].
Учитывая специфику особенностей функционирования самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО, а именно его тягово-приводной характер работы, то условием, обеспечивающим его равномерное движение, будет, уравнение тягового баланса. Составим расчетную схему сил, действующих на почвообрабатывающею фрезу с вертикальной осью вращения АРО в продольно-вертикальной плоскости (рисунок 1).
При перемещении по полю самоходной фрезы между ведущими колесами и почвой возникает сила тяги FTK, которая направлена на преодоление сил сопротивления перекатыванию ведущих колес FСK и силы трения Ffп опорного полозка с почвой. Для управления фрезой оператор прикладывает к органам управления усилия Fр, в расчетах принимаем равное нулю. Кроме этого, при анализе устойчивого движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО полагаем, что поверхность почвы ровная и горизонтальная.
В процессе обработки почвы ножами роторов возникают силы Fy1(Fy2), Fx1(Fx2). На почвообрабатывающий агрегат так же действует сила тяжести Fgм , приложенная в центре тяжести (т. В), которую можно разложить на составляющие: на силу тяжести Fgк, приходящуюся на ходовые колеса (приложена в т. А) и на силу тяжести Fgф, приходящуюся на почвообрабатывающею фрезу (приложена в т. С).
Таким образом, опираясь на схему действующих сил (см. рисунок 1), составим уравнение устойчивости движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО.
Условие устойчивости по отсутствию буксования будет иметь вид:
(1)
где FTK – сила тяги на ведущих колесах, Н; FСK – сила сопротивления перекатыванию ведущих колес, Н; Ffп – сила трения опорного полозка с почвой, Н; Fx1(Fx2) – силы сопротивления резанию на ножах отдельного ротора, Н.
Анализ и обсуждение результатов исследований. Для определения силы тяги на ведущих колесах воспользуемся рекомендациями [7], согласно которым силу FTK с достаточно высокой степенью точности можно определить по формуле:
FTK=kcFgк, (2)
где kс – коэффициент сцепления ведущих колес с почвой; Fgк – сила тяжести машины на оси ведущих колес, Н.
Учитывая весовые характеристики, а именно массу мотоблока и их компоновку силу Fgк, можно приложить к центру вращения ведущих колес (т. А) и представить в виде:
Fgк=mмg, (3)
где g – ускорение сводного падения, м/с2; g = 9,81 м/с2.
Тогда с учетом (3) выражение (2) примет вид:
FTK=kcmмg. (4)
Природу силы сопротивления перекатыванию изучали многие исследователи [7, 8, 9, 10]. Она зависит от различных факторов, основными же являются свойства почвы (структура, механический состав, влажность, сопротивление сжатию и сдвигу, микрорельеф поверхности) и свойства ходового аппарата (у колесных машин – радиус качения, ширина профиля, тип протектора, давление воздуха в шине). Если свойства ходового аппарата стабильны по величине и их можно определить заранее, то свойства почвы имеют вероятностный характер, и их влияние на силу сопротивления перекатыванию в большинстве случаев можно определить только во время взаимодействия ходового аппарата с почвой. В силу этого можно утверждать, что и сила сопротивления перекатыванию будет иметь вероятностную составляющую.
Силу сопротивления перекатыванию ведущих колес согласно рекомендациям [7, 8, 9] и схемы сил (см. рисунок 1) можно определить по формуле:
FСK=μFgк, (5)
где µ – коэффициент сопротивления качению ходовых колес.
Для определения коэффициента µ согласно [10, 11, 12] рекомендуется применять формулу Гранвуане-Горячкина, которая имеет следующий вид:
(6)
где q– объемный коэффициент смятия почвы, Н/м3; bк– ширина обода колеса, контактирующего с почвой, м.
Объемный коэффициент смятия почвы можно представить в виде [3]:
q = (0,044p+0,0038)109 (7)
Таким образом, после подстановки (6) в (5) с учетом (3),(7) и ряда преобразований получим:
(8)
Силу Ffп определим из рисунка 1, т.е.
(9)
где f – коэффициент трения опорного полозка о почву; Fgф – сила тяжести мотоблока, приходящаяся на фрезу, Н, Fy – заглубляющие силы на ножах отдельного ротора,H.
Учитывая ограничения, накладываемые на оператора, работающего с мотоблоком [6] выразим значение силы Fgф через максимально возможное усилие рабочего на органах управления [Fp]. Тогда исходя из схемы сил (см. рисунок 1) получим:
(10)
где [Fp] – максимально возможное усилие рабочего на органах управления, Н; l3 и l2 – расстояние между осью ведущих колес и точками приложения сил Fp и Fgф соответственно, м.
, (11)
где n – количество роторов.
После последовательной подстановки (10) и(11) в (9) получим:
(12)
Силу сопротивления резания ножей ротора можно представить в виде:
(13)
Таким образом, полученные зависимости (4), (8), (12) и (13) подставляем в (1) и получаем условие устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРОв продольно-вертикальной плоскости при условии обеспечения ее равномерного движения в развернутом виде:
(14)
или:
(15)
Дальнейшие решение уравнения (15) относительно количества роторовn (рисунок 2) позволяет получить зависимости их оптимального количества в зависимости от конструктивных параметров фрезы, режимов работы и почвенных условий.
Таким образом, полученные уравнения (15) и (16) характеризуют условие устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающих фрезы с вертикальной осью вращения АРО и количество роторов при условии ее равномерного движения и связывает между собою основные силовые факторы взаимодействия роторов при обработке почвы, режимы работы с весовыми характеристиками, конструктивными параметрами машины и почвенными условиями.
Выводы. 1. Получено уравнение устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО продольно-вертикальной плоскости при условии ее равномерного движения.
2. Получена зависимость оптимального количества роторов самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с вертикальной осью вращения АРО от конструктивных параметров машины и почвенных условий.
1. Ulanov A. S., Shlyapnikov M. G., Gusev A.Yu., Kupryashkin V.V. K voprosu ustoychivosti raboty motobloka v agregate s plugom. // XII Mezhdunarod. nauch.-prakt. konf. v ramkakh XVIII Mezhdunar. agropromysh. vyst. “Agrouniversal - 2016”: Sb. nauch. st. pod obsch. red. A.T. Lebedeva. (On the stability of the motoblock in an aggregate with a plow. // XII International scientific and practical conference in the framework of XVIII International agricultural exhibition “Agrouniversal - 2016”: Collection of scientific articles under the general edition of A.T. Lebedev). Stavropol: AGRUS Stavropol'skogo GAU, 2016. P. 144-15
2. Kupryashkin V.F. Ustoychivost dvizheniya i effektivnoe ispolzovanie samokhodnykh pochvoobrabatyvayuschikh frez. Teoriya i eksperiment: monografiya. [Stability of movement and effective use of self-propelled tillage mills. Theory and experiment: monograph]. / V. F. Kupryashkin. - Saransk : Izd-vo Mordov. un-ta, 2014. - P. 140.
3. Bezrukov A.V. Povyshenie effektivnosti funktsionirovaniya samokhodnoy malogabaritnoy pochvoobrabatyvayuschey frezy za schet adaptatsii ee rezhimov k usloviyam raboty: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. (Improving the functioning of a self-propelled small-sized tillage cutter by adapting its modes to working conditions: abstract. dis. ... cand. tech. sciences). / A. V. Bezrukov. - Saransk, 2016. - P. 18.
4. Tarverdyan. A. P. Results of the study of kinematic and dynamic parameters of the tillage machine with a vertical axis of rotation in the cultivation of garden crops A. P. Tarverdyan, S. F. Sargsyan, A.V. Altunyan Annals of agricultural science, Volume 15, Issue 2, June 2017, P. 163-168.
5. Firstov A. F. Samokhodnaya pochvoobrabatyvayuschaya freza s kombinirovannymi rabochimi organami. // Resursosberegayuschie ekologicheski bezopasnye tekhnologii proizvodstva i pererabotki selskokhozyaystvennoy produktsii : materialy XI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Self-propelled tillage mill with combined working units. / A. F. Firstov, A. S. Ulanov, V. N. Kupryashkina and others // Resource-saving environmentally friendly technologies for the production and processing of agricultural products: proceedings of XI International scientific and practical conference). - Saransk: Izd-vo Mordov. un-ta, 2015. - P. 383 - 389.
6. GOST 12.2.140-2004. Traktory malogabaritnye. Obschie trebovaniya bezopasnosti. [Tractors are small-sized. General safety requirements]. - M.: Izd-vo standartov, 2005. - P. 12.
7. Naumets N. I. To the determination of traction required for the movement of tractors. [K opredeleniyu tyagovykh usiliy, neobkhodimykh dlya peredvizheniya traktorov]. / N. I. Naumets // Traktory i selkhozmashiny. - Tractors and agricultural machinery. - 1958. - № 1. - P. 7-8.
8. Nafikov M. Z. Calculation of resistance to the movement of the tractor. [Raschet soprotivleniya dvizheniyu traktora]. / M. Z. Nafikov, I. S. Polyakov // Traktory i selkhozmashiny. - Tractors and agricultural machinery. - 1968. - № 1. - P. 14-16.
9. Poletaev A.F. Rolling of the driving wheel. [Kachenie veduschego kolesa]. / A. F. Poletaev // Traktory i selkhozmashiny. - Tractors and agricultural machinery. - 1964. - № 1. - P. 11-15.
10. Sineokov G.N. Teoriya i raschet pochvoobrabatyvayuschikh mashin. [Theory and calculation of tillage machines]. / G.N. Sineokov, I.M. Panov. - M.: Mechanical Engineering. - M. : Mashinostroenie, 1977. - P. 328.
11. Thakur T. C. Current state of force prediction models for rotary mechanized tillage tools T. C. Thakur, R. J. Godwin Journal of Thermomechanics, Volume 26, Issue 2, 1989, Pages 121-138.
12. Zhiyong Chan. Design and experiments of biomimetic stubble cutter Zhiyong Chan, Wei Liu, Jin Tong, Li Guo, Donghui Chen Journal of bionic engineering, Volume 13, Issue 2, April 2016, Pages 335-343
