DOI: 10.12737/article_5967eaca8aa488.95157042УДК 631.37РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВкандидат технических наук И. Е. Донцов1кандидат технических наук М. Н. Лысыч1кандидат технических наук М. Л. Шабанов11 – ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»,г. Воронеж, Российская Федерация Во время движения почвообрабатывающие машины и орудиясовершают свободные и вынужденные колебания. Одновременно изменяются направление и значение сил сопротивления их рабочих органов. Без информации о силовых параметрах рабочих органов изучение динамики почвообрабатывающих машин, орудий и машинно-тракторных агрегатов невозможно. Статья посвящена изучению силовых параметров пассивных, активных и ротационных почвообрабатывающих рабочих органов. Для исследований отобраны наиболее распространенные виды и типы рабочих органов. Силовое взаимодействие рабочих органов с почвой представлено равнодействующей сил сопротивления. Модуль, направление и положение равнодействующей сил сопротивления зависят от положения рабочего органа по отношению к вектору абсолютной скорости точки приведения на рабочем органе и глубины обработки. Указанные функции описаны уравнениями регрессии второго порядка. За основу взята модель силового взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов с почвой, предложенная проф. Гячевым Л.В. Спроектирована и изготовлена тензометрическая установка, предложена методикаопределения описанных силовых параметров рабочих органов в лабораторных условиях. В ходе эксперимента рабочий орган устанавливают в различные положения по отношению к основному (прямолинейному) движению, регистрируют параметры, характеризующие его координаты (факторы) и усилия в тягах навесного оборудования (отклики). Затем вычисляют характеристики главного вектора и главного момента, равнодействующей сил взаимодействия рабочих органов с почвой. Результаты нескольких измерений аппроксимируют кривой, в наибольшей степени соответствующей характеру взаимодействия. Статистический анализ результатов показал, что регрессионные модели адекватны при уровне значимости 0.01. Коэффициенты корреляции между безразмерными коэффициентами геометрически подобных рабочих органов равны 0,95-0,97.Ключевые слова: трактор, устойчивость, колебания, почва, силовые параметры, скорость движения THE RESULTS OF LABORATORY STUDIES OF POWER SETTINGS of SOIL-CULTIVATING WORKING BODIESPhD in Engineering I. E. Dontsov1PhD in Engineering M. N. Lysych1PhD in Engineering M. L. Shabanov11 – Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry andTechnologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation AbstractDuring the movement, tillage machines and tools make free and forced vibrations. At the same time the direction and value of forces of resistance to their working bodies change. Without information about the power parameters of working bodies it is impossible to study the dynamics of soil-cultivating machines, tools and machine-tractor units. The article is devoted to the study of power parameters of passive, active, and rotational soil-cultivating working bodies. For research the most common types of working bodies have been selected. Force interaction of working bodies with soil is represented by the resultant of forces of resistance. Module, direction and position of the resultant of the resistance forces depend on the position of the working body relative to the vector of the absolute velocity of the point cast on the working body and the depth of processing. These functions are described by regression equations of the second order. The basis is the model of force interaction of soil-cultivating working bodies with soil, suggested by Professor L. V. Gyachev. Strain gauge installation is designed and manufactured; a method of determination of described power parameters of working bodies in the laboratory is suggested. In the experiment, working body is set in various positions relative to the main (straight) movement, the parameters characterizing the coordinates (factors) and effort in rods coupler (feedback)are recorded. Then the characteristics of the main vector and main moment of the resultant of forces of interaction of working bodies with soil are calculated. The results of several measurements approximant curve, mostly appropriate to the nature of the interaction. Statistical analysis of the results showed that the regression models are adequate at significance level of 0.01. The correlation coefficients between the dimensionless coefficients of geometrically similar working bodies are equal to 0.95-0.97.Keywords: tractor, stability, fluctuations, soil, strength parameters, speed  В современной отечественной и зарубежной литературе [1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] сведения о силовых параметрах движущихся (колеблющихся) орудий и рабочих органов, практически, отсутствуют либо имеют узко прикладной характер. Без этой информации изучение динамики почвообрабатывающих машин, орудий и МТА невозможно.Модель силового взаимодействия рабочих органов с почвой подробно описана в работе [2]. Кратко ее суть сводится к тому, что для описания равнодействующей сил сопротивления рабочих органов использованы уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами К0 … К8. Уравнения имеют вид: (1)где F – исследуемые функции (отклики):FэтоRXY/RY или RYZ/RY, где RXY и RYZ – проекции равнодействующей, соответственно, на горизонтальную XY и продольно-вертикальную YZ плоскости по отношению к основному (прямолинейному) движению, Н;RY – тяговое сопротивление рабочего органа при номинальной глубине, Н;F это αXY или αYZ – углы поворота равнодействующей, соответственно, в плоскости XY или YZ, рад; F это dXY/lО или dYZ/lО, где dXY и dYZ – смещение равнодействующей от точки приведения, соответственно, в плоскостях XY и YZ, м;l0 – длина рабочего органа, м;a и δ – нормированная глубина и углы установки рабочего органа (варьируемые параметры – факторы): a = aФ/aН, где aФ – фактическая, aН – номинальная глубина обработки, см;δ этоδXY или δYZ – углы установки рабочего органа, соответственно, в плоскостях XY и YZ, рад.Отметим, что в описанной модели развиты основные положения, предложенные проф. Гячеым Л.В. [1]. Как видим, модель стала полипараметрической и более высокого порядка.Предложена методика определения силовых параметров рабочих органов в лабораторных условиях, для чего спроектирована и изготовлена тензометрическая установка [3].В табл. 1 приведен план ненасыщенного эксперимента для определения коэффициентов регрессии (1). Нормированные диапазоны (-1; +1) варьирования факторов выбирают с учетом значений, которые они принимают в реальных условиях (симметричный план – опыты с 1 по 9). При необходимости симметричный план дополняют несимметричными опытами, выходящими за реальные пределы варьирования параметров (опыты 10-12). В гипотетическом опыте на поверхности почвы (a = 0) вполне предсказуемы нулевые значения откликов.В каждом опыте регистрируют следующие величины (рис. 1): усилия P1, …, P6 в тензометрических тягах (отклики); углы dXYи dYZ установки рабочего органа в плоскостях XY и YZ, а также глубину обработки a (факторы).Углы dXYи dXZ между осью рабочего органа инаправлением движения задают до проведения опыта, соответствующим образом закрепляя рабочий орган на оси подвеса навесного оборудования. До проведения основной серии опытов регистрируют начальное натяжение тяг P1.0, …, P6.0 от силы тяжести навесного оборудования и рабочего органа. В дальнейших расчетах эти значения вычитают из значений, получаемых во время рабочего хода: P1 -P1.0, …, P6-P6.0. Глубину обработки задаютпозиционно с помощью гидравлической Таблица 1План экспериментаНомер опытаdYZ(dYZ)dXY(dXY)аПримечания ---Определение силы тяжести навесного оборудования (начальное натяжение тяг без заглубления рабочего органа)10 (0)0 (0)amaxОпыты с заглубленным рабочим органом (симметричный план)20 (0)0 (0)aсреднее30 (0)0 (0)amin40 (1)1 (0)amax50 (1)1 (0)aсреднее60 (1)1 (0)amin70 (-1)-1 (0)amax80 (-1)-1 (0)aсреднее90 (-1)-1 (0)amin 000Гипотетический опыт на поверхности100 (2)2 (0)amaxОпыты с заглубленным рабочим органом (несимметричное дополнение)110 (2)2 (0)aсреднее120 (2)2 (0)amin  навесной системы.Для фиксированных значений варьируемых параметров из уравнений равновесия сил в проекциях на оси координат находим параметры равнодействующей  сил взаимодействия рабочего органа с почвой. В продольно-вертикальной плоскости YZ они имеют вид (2)                         где     В горизонтальной плоскости XY:  (3) (3)где     Параметры xD, yD и zD характеризуют выбранное положение точки приведения сил (т. D).Для измерения усилий в тягах № 1, 4 и 5 использованы тензодатчики ZD 500 максимальная нагрузка – 500 кГ, нормативная точность измерений – 0,01 %; в тягах № 2, 3 и 6 – тензодатчики S 100 максимальная нагрузка – 100 кГ, нормативная точность – 0,01 %. По результатам тарирования фактическая точность датчиков оказалась в пределах 0,005 %.Для исследований отобраны наиболее распространенные виды (рис. 2, 3) и типы рабочих органов, включая пассивные и ротационные. Постоянные геометрические и технологические параметры рабочих органов приведены в табл. 2. Все исследованные рабочие органы имели нормальную (острую) заточку.Опыты проводились в закрытом помещении при комнатной температуре и нормальной влажности воздуха. Тип почвы в почвенном канале – супесь мелкокомковатая, твердость в исследуемом горизонте – 16-18 кПа, влажность – 12-14 %. В подготовке и проведении эксперимента принимал участие асп. Кузнецов А.А.Результаты расчетов приведены в табл. 3. Здесь использованы библиотечные функции Microsoft Excel, с помощью которых вычислены коэффициенты регрессии (1) и оценен их уровень значимости.Статистический анализ результатов показал, что регрессионные модели адекватны при уровне значимости q=0,01. Замечено, что для геометрически подобных рабочих органов, например № 08, 09 и 10, безразмерные силовые параметры имеют близкие значения. Коэффициенты корреляции между силовыми параметрами геометрически подобных рабочих органов имеют значения 0,95-0,97. При уровне значимости q= 0,001 t-критерии Стьюдента равны tрасч = 13,7-17,4; tтабл = 3,85.  Рис. 1. Схемы нагружения навесного оборудования в продольно-вертикальной YZ (а)и в горизонтальнойXY (б) плоскостяха)б)  Рис. 2. Почвообрабатывающие рабочие органы01 – окучник № 01; 02 – лапа-долото № 02; 05 – нож черенковый № 05; 06 – лапа-бритва № 06;08 – лапа стрельчатая № 08; 09 – лапа стрельчатая № 09 в)0105022)060809  Рис. 3. Почвообрабатывающие рабочие органы (окончание)10 – лапа стрельчатая № 10; 11 – лапа стрельчатая № 11; 12 – лапа стрельчатая с подрезным ножом № 12; 13 – лапа полольная № 13; 14 –рыхлитель № 14; 15 – диск сферический диаметром 510 мм № 15 101315112)1412Таблица 2Постоянные параметры рабочих органовНазвание рабочего органа и идентификационный номерМасса,кгГеометрические параметры, смТехнологические параметрыlYlXlZXDYDZDан , смRY, Нδ’XY,град.δ’YZ,, град.Окучник № 018,47465059019541018900Лапа-долото № 021,411523501535107600Нож черенковый № 051,751511380-3381012500Лапа-бритва № 061,7730153905391013300Лапа стрельчатая № 083,37202242031421216700Лапа стрельчатая № 093,81242749030491228400Лапа стрельчатая № 105,083133530375315,546100Лапа стрельчатая № 1115,2312470010701015100Лапа стрельчатая с подрезным ножом № 1218,18103370010701023000Лапа полольная № 131,8525,5263401834711300Рыхлитель № 1410,59202242031421213400Диск сферический диаметром 510 мм № 1534,933133700107010288300 Таблица 3Расчетные коэффициенты регрессий           2345678910Окучник № 01  0,19210,72670,8211-0,697-2,0630,35122,678596,6748,  рад 0,1617-0,005-0,11214,112,165-0,822-31,3115,057О 0,2424-4,795-0,1742,946813,523-6,553-38,55925,79  0,043-1,87540,96160,2287,2121-3,2784-136,4363,219, рад 0,17892,6913-0,09-12,711-3,24961,578626,1034-12,854О -0,1127-4,05840,407673,522,10820,9229-51,933-4,3719Лапа-долото № 02  1,51571,6966-0,478948,15-4,95331,6613-99,81657,257,  рад 0,2672-3,64-0,203347,28311,967-6,2267-112,1562,29О -0,5523-13,930,2309108,2533,059-16,111-252,37140,55  1,28091,0788-0,279942,241-0,30090,3823-108,7852,499, рад -0,4224-0,78870,37885,82165,3093-3,1698-16,8288,6705О -0,52594,16481,7075120,24-29,64122,79887,4786-168,5Нож черенковый № 05  0,3865-5,57150,6223107,9910,42-3,5287-178,6962,805,  рад 0,13224,2342-0,0867-21,274-5,85492,83336,4852-14,499О -0,56665,2730,2604-77,393-13,5578,0292148,002-63,721  0,434-14,4450,5694113,7626,031-10,542-201,2267,791, рад -0,11462,26040,0328-18,914-2,791,171228,5824-10,155О -0,1191-6,3020,3365197,620,92521,9654-114,48-0,4288Лапа-бритва № 06  0,73274,77610,313949,178-8,76572,1876-60,67216,311,  рад -0,29961,80680,0274-1,99911,1513-0,157311,1164-1,0138О -1,2849-1,49250,4828-39,4737,3179-2,705990,4103-33,345  0,97121,41470,02894,0123-5,40292,9436-0,8601-4,4406, рад -0,12971,67350,115-18,667-2,15971,41736,7357-18,365О 0,1252-5,45280,1759106,996,9688-1,7832-105,8119,614Лапа стрельчатая № 08  1,0826-2,7388-0,080830,2286,054-2,4497-62,89624,748,  рад 0,05990,6729-0,03492,33550,5973-0,1621-2,0830,6445Продолжение таблицы 3 2345678910О 0,1502-1,1005-0,09729,59572,705-0,6985-9,52352,5623  1,1516-2,0524-0,117836,875,9189-1,7172-79,34835,719, рад 0,32913,4856-0,0727-14,315-2,520,648614,0934-4,3907О 0,2725-3,79460,14896,0540,41181,1506-55,34-4,6545Лапа стрельчатая № 09  0,8966-2,30770,103829,6284,6666-2,6097-63,80729,921,  рад 0,02850,3938-0,03485,37961,8083-0,8042-11,6655,4626О -0,0873-1,7175-0,000414,35,3327-2,0872-22,8049,1513  0,67660,5250,375319,841-1,44012,5575-25,9181,0923, рад 0,5492,4384-0,2335-2,3888-1,47960,1208-6,90256,4466О 0,3435-3,13960,035972,2161,01321,1388-61,9945,3079Лапа стрельчатая № 10  0,6102-4,00110,390826,46110,915-6,7376-71,67944,253,  рад -0,04461,69860,00570,0992-1,26290,86630,98227-1,5633О -0,38281,62910,2159-11,467-1,681,588432,5536-20,825  0,6108-0,7420,464613,9052,83370,0519-27,7760,6108, рад 0,84960,4554-0,472912,2682,1629-1,6952-42,0240,8496О 0,2866-3,92510,127954,66,3669-2,2611-68,7250,2866Лапа стрельчатая № 11  0,4761-2,68870,544827,6077,5817-3,7393-63,92724,938,  рад 0,2024-0,7135-0,156823,563,6784-1,7474-46,69721,566О -0,951,51860,5931-39,235-1,74031,161880,3004-41,484  0,5486-2,49590,553718,024-4,61754,1566-13,119-10,184, рад 0,8132-3,4823-0,3791-19,2667,5309-3,261421,1841-8,312О -0,554512,30,7526241,13-23,12410,927-317,96106,68Лапа стрельчатая с подрезным ножом № 12  0,82217,46110,2047-32,727-13,2515,585150,3162-19,162,  рад 0,2288-0,6491-0,1520,7623,9554-1,6028-46,42122,793О 0,03588,72720,0622-106,18-7,27874,5453183,245-78,957  0,55310,73110,44716,013-5,70632,5619-22,055-1,677, рад -0,18810,54430,1729-9,466-2,21521,655429,362-17,091О 1,638838,3930,1772560,87-63,41329,469-713,82219,21Лапа полольная № 13  1,5041-4,5593-0,479565,659,369-4,2063-143,5665,446,  рад 0,2196-1,1074-0,130914,7674,1971-1,822-28,85113,522О -0,0955-0,24240,0138-4,2062-0,14650,69215,5093-8,0403  1,3061-0,0134-0,321,875-2,22091,657-47,15820,035, рад 0,05690,67030,0529-6,73294,4208-1,854-9,04364,3518О 0,2441-4,4880,213494,1839,2762-3,1146-116,226,474Рыхлитель № 14  0,8578-4,70020,1816114,9416,365-14,308-363,97282,01,  рад 0,2762-3,0839-0,481349,12813,123-5,3843-127,681,412О -0,6124-19,64-0,4602157,8765,496-31,403-424,73280,01  0,33940,43351,128535,532-4,42791,2647-98,35575,821, рад -1,44380,53980,622530,433,28-2,2627-63,22427,703О 0,5394-9,5837-0,8086293,9734,14-19,157-610,28299,86Диск сферический диаметром 510 мм № 15  -5,35474,65184,9631-13,16414,264-15,8764,134098,8618,  рад -1,9419-0,3333-0,19424,06829,4857-0,0553-16,7173,4011О -1,5583-7,1153-2,453910,13812,6537,8831-23,733-3,2457  0,965716,0690,0349-22,806-35,26118,63330,4001-12,209, рад 0,79416,009-0,7578-41,056-20,5077,543647,2465-17,194О -1,436222,9680,8189-61,375-21,5246,3469105,805-42,794