г. Казань, Россия
сотрудник
сотрудник
Россия
сотрудник
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ББК 30 Техника и технические науки в целом
Для повышения качества предпосевной обработки почвы в Республике Татарстан разработано почвообрабатывающее орудие, которое, в отличие от других конструкций, содержит коаксиально установленные на горизонтальном валу винтовую спираль и игольчатые эллипсовидные диски. Винтовая спираль пассивного действия создаёт на глубине заделки семян уплотнённое семенное ложе; игольчатые эллипсовидные диски – активны и обеспечивают мульчирование поверхностного слоя почвы. Предварительный анализ процессов взаимодействия рабочего органа с почвой возможен на основе параметрических уравнений движения отдельных точек режущей кромки винтовой спирали, а также выражений для определения их скоростей и ускорений. Выбираемые в ходе расчёта и проектирования предлагаемого ротационного комбинированного орудия конструктивные параметры должны обеспечивать вхождение винтовой спирали в почву со скольжением. В противном случае увеличивается тяговое сопротивление агрегата. Для обоснования основных конструктивных параметров спирально-винтового рабочего органа также необходимо предварительное построение теоретических зависимостей. Согласно результатам расчетов точки режущей кромки винтовой спирали совершают при движении орудия сложное перемещение в пространстве. Составляющие скорости и ускорения этих точек – переменные параметры, что способствует активному крошению почвы и разрушению ее комков. Оптимальные конструктивные параметры рабочего органа орудия: диаметр винтовой спирали – 0,470 м; угол наклона винтовой спирали (угол подъёма винтовой линии) – 10°…25°; угол наклона большой стороны полосы к образующей цилиндрической поверхности, которая описывает винтовая спираль – 25°…30°
предпосевная обработка почвы; спирально-винтовой рабочий орган, кинематические и конструктивные параметры
Предпосевная обработка почвы должна обеспечивать создание уплотнённого семенного ложа на глубине заделки семян и мелкокомковатого мульчированного слоя на поверхности [1, 2, 3, 4]. Кроме того, она способствует сохранению влаги, улучшению микробиологической деятельности и обеспечивает наиболее полное очищение почвы от сорных растений [5, 6, 7, 8]. В последние годы в нашей стране ведутся активные исследования по разработке ротационных орудий для предпосевной (поверхностной) обработки почвы [9, 10, 11]. Широкое применение получили ротационные орудия со спирально-винтовыми рабочими органами [12, 13, 14, 15]. Их конструкция позволяет обеспечить угол наклона рабочего органа к вертикали и угол установки его к линии поступательного движения (угла атаки), что способствует более качественному крошению почвы [16, 17, 18].
Цель исследования – определение параметрических уравнений движения спирально-винтового рабочего органа почвообрабатывающей машины в пространстве, а также обоснование его оптимальных конструктивно-технологических параметров.
Условия, материалы и методы. Разработанное ротационное почвообрабатывающее
орудие, в отличие от других конструкций, содержит коаксиально установленные на горизонтальном валу винтовую спираль и игольчатые эллипсовидные диски (рисунок 1).
Почвообрабатывающее орудие (рисунок 1, а) состоит из сварной рамы 1 и механизма навески 2. На раме 1 на подшипниковых опорах 3 установлен горизонтальный вал 4, на котором также на подшипниковых опорах 5 установлены горизонтальные диски 6 с жёстко закрепленной винтовой спиралью 7 прямоугольного сечения (полоса) с левой и правой навивкой симметрично относительно соединительного кольца 8. Большая сторона спирали 7 наклонена к образующей цилиндрической поверхности, которая описывает рабочий орган под углом δ (рисунок 1, г). Для обеспечения устойчивой работы агрегата, а также создания дополнительного прикатывающего эффекта витки спирали 7 соединены между собой, а также с дисками 6 и кольцом 8 при помощи спиральных прутков 9 (рисунок 1, б) квадратного сечения с левой и правой навивкой симметрично относительно кольца 8. Прутки 9 обращены к поверхности поля своими ребрами. Иглы 12 дисков установлены на обойме 13 с наклонением назад на угол β (рисунок 1, в). Орудие содержит также опорные колеса 14 с винтовым механизмом 15 для регулирования глубины обработки почвы.
Методика теоретического исследования базировалась на положениях аналитической геометрии и законах классической механики.
Анализ и обсуждение результатов исследований. В связи с тем, что спирально-винтовой рабочий орган предлагаемого орудия выполнен пассивным, поступательная скорость Ve(св) произвольной точки М режущей кромки (рисунок 2) равна её окружной скорости Vo(св):
(1)
где Dсв, ωсв – диаметр и угловая скорость вращения спирально-винтового (СВ) рабочего органа.
При заданных значениях диаметра винтовой спирали и поступательной скорости агрегата угловая скорость определяется по формуле:
(2)
Для уравновешивания боковых реакций почвы винтовая спираль рабочего органа выполнена из двух половин с одинаковыми параметрами, причём с правой и левой навивкой симметрично относительно вертикальной оси симметрии.
Параметрические уравнения движения произвольной точки М (см. рисунок 2) режущей кромки винтовой спирали, выполненной с правой навивкой, а точки Р с левой навивкой в пространственной прямоугольной системе координат OXYZ имеют вид:
(3)
где ɛ – угол наклона винтовой спирали (угол подъёма винтовой линии) к оси Х, град; φ – угол наклона винтовой спирали к оси Y, град.
Величина перемещения исследуемых точек в пространстве за один и тот же промежуток времени равна между собой и определяется из уравнения:
(4)
Проекции скорости точек режущей кромки можно вычислить путём дифференцирования выражения (3) по времени:
(5)
Модуль (величина) абсолютной скорости исследуемых точек, то есть скорость резания почвы режущими кромками винтовой спирали, определяется согласно выражению:
(6)
После дифференцирования выражения (5) по времени получим проекции ускорения исследуемых точек режущей кромки:
(7)
Составляющие скорости и ускорения исследуемых точек, как показывают выражения (5) и (7), – переменные параметры, а это способствует активному крошению почвы и разрушению ее комков.
Спирально-винтовые рабочие органы отличаются от других конструкций наличием не только кривизны, но и кручения режущих элементов (рисунок 3).
Рисунок 3 – Характеристики отдельных точек винтовой спирали: n – нормаль к поверхности режущей кромки; τ – касательная к поверхности режущей кромки; b – бинормаль к поверхности режущей кромки; ɛ – угол наклона точек внедрения режущей кромки в почву к оси Y; А – точка выхода режущей кромки из почвы; В – точка входа режущей кромки в почву
Каждая точка режущей кромки спирали характеризуется главной нормалью n, которая направлена к центру круга кривизны, касательной τ, перпендикулярной к главной нормали, а также бинормалью b.
Исследованиями Ермолко Е.В. [19] установлено, что максимальная глубина обработки почвы, будет ограничиваться дугой режущей кромки винтовой спирали, внедрённой в почву, которая находится в пределах угла 2θ.
Рассматривая спирально-винтовой рабочий орган в рабочем положении (рисунок 4), имеем:
ОВ = ОС – ВС = Dсв / 2 – а, (8)
где а – глубина обработки (прикатывания) почвы, м.
С другой стороны:
ОВ = Dсв cos θ / 2, (9)
где θ – угол между точками заглубления и выглубления режущей кромки в почве, град.
Приравняв правые части выражений (8) и (9), получим:
Отсюда можно найти выражение для определения диаметра рабочего органа:
(10)
С учётом того, что cos θ = cos 45° = 0,707, зависимость (11) принимает следующий вид:
Если взять глубину обработки почвы
а = 0,06…0,08 м, то в соответствии с выражением (12): Dсв = 0,408…0,544 м. При проектировании ротационного комбинированного орудия целесообразно принять за основу диаметр рабочего органа Dсв = 0,470 м.
В теории цилиндрических винтовых пружин угол наклона винтовой спирали называют углом подъёма винтовой линии. Геометрия цилиндрической винтовой линии такова, что образующие цилиндра по всему периметру пересекают её под одинаковым углом γ (см. рисунок 2). В связи с этим угол ɛ наклона винтовой спирали – постоянная величина во всех её точках.
В общем случае, когда величины конструктивных параметров известны (заданы), угол наклона винтовой спирали определяют по формуле:
(13)
где Sсв, Dсв – шаг и диаметр винтовой спирали.
Вместе с тем, конструктивные параметры ротационного комбинированного орудия должны обеспечивать вхождение винтовой спирали в почву со скольжением. В противном случае увеличится тяговое сопротивление агрегата.
В спирально-винтовых рабочих органах угол наклона витков спирали к вертикали равен углу ɛ наклона спирали (углу подъёма винтовой линии).
В ходе технологического процесса режущая кромка винтовой спирали разрезает почву (монолит), а рабочие её поверхности производят сжатие и незначительный сдвиг почвы [20,21,22]. Каждый элемент витка спирали представляет собой локально непрерывно действующий трёхгранный (пространственный) клин АВС.
Пусть элемент витка спирали с углом наклона ɛ в каждый момент времени под действием вертикального усилия РВ внедряется в почву под углом β. Этому сопротивляется фронтальная реакция почвы Rφ на рабочую поверхность спирали:
(14)
Сила трения почвы о рабочую поверхность винтовой спирали определяется по известной формуле:
(15)
где N – нормальная реакция почвы;
φтр – угол трения скольжения почвы о рабочую поверхность винтовой спирали, град.
После подстановки в выражение (14) величины силы трения и, учитывая, что
cos·(90° – β ) = sin β , имеем:
(16)
Разделив обе части этого неравенства на cos β, получим:
(17)
Выражение (17) показывает, что рабочий орган внедряется в почву со скольжением только тогда, когда угол вхождения спирали в почву больше угла трения скольжения почвы о рабочую поверхность. Из этого следует:
(18)
Подставив значение угла β в неравенство (17), получим зависимость для обоснования угла наклона спирали, которая обеспечивает скользящее вхождение рабочего органа в почву. Она имеет следующий вид:
(19)
Анализ выражения (19) с учётом угла трения скольжения для различных типов почвы, а также результатов исследований [5] свидетельствует, что угол трения находиться в пределах 14°…42°. Для проектировочных расчетов примем ɛ = 48°…76°.
Для обеспечения работоспособности предлагаемого орудия с минимальными энергозатратами необходимо также обосновать угол δ наклона большой стороны полосы спирали к образующей цилиндрической поверхности, которая описывает рабочий орган. Это можно сделать, взяв за основу изложенную методику определения угла наклона спирали. Установленная с ее использованием теоретическая зависимость будет иметь следующий вид:
δ > φтр. (20)
С учётом значений угла трения скольжения для различных типов почвы и конструктивных параметров рабочего органа, обеспечивающих его эффективную работу, в проектировочных расчётах угол наклона большой стороны полосы спирали к образующей цилиндрической поверхности примем δ = 27°…43°.
Выводы. Анализ установленных кинематических зависимостей показал, что точки режущей кромки винтовой спирали совершают при движении орудия сложное перемещение в пространстве, что способствует качественному крошению почвы. В результате выполнения исследований также были определены конструктивные параметры спирально-винтового рабочего органа: диаметр винтовой спирали – 0,470 м; угол наклона винтовой спирали (угол подъёма винтовой линии) – 48°…76°; угол наклона большой стороны полосы к образующей цилиндрической поверхности, которая описывает винтовая спираль – 27°…43°.
1. Мазитов Н.К. Комбинированные почвообрабатывающие агрегаты. Казань: Таткнигоиздат, 1984. 152 с.
2. А. с. № 801780 СССР, А01D 43/12. Жатка / Н.Г. Энвальд, Х.С. Гайнанов, Ш.Р. Галиуллин и др. (СССР); Опубл. 07.02.1981, Б. И. № 5.
3. Гайнанов Х.С. Совмещение механизированных операций в земледелии. М.: Россельхозиздат, 1983. 32 с.
4. Валиев, А.Р. Исследование взаимодействия ротационного конического рабочего органа с почвой / А.Р. Валиев, Ф.Ф. Яруллин // Техника и оборудование для села. - 2015. - № 10 (220). - С. 27-31.
5. Матяшин Ю.И., Матяшин Н.Ю. Теория сельхозмашин с ротационными рабочими органами // Вестник Казанского ГАУ. 2009. № 2(12). с. 179-185.
6. Юнусов Р.Г., Булгариев Г.Г., Пикмуллин Г.В. Уравнения движения ротационных (винтовых) рабочих органов в почве // Вестник Казанского ГАУ. 2012. Т. 7. № 4 (26). С. 88-90.
7. Theoretical fundamentals for determining soil erosion potential. Periódico Tchê Química: órgão de divulgação científica e informativa [recurso eletrônico] / I. Maksimov, N. Adigamov, A. Mustafin, et al. // Grupo Tchê Química. 2019. Vol. 16 No. 31. P. 540-557.
8. Яхин, С.М. Обоснование конструктивно-технологических параметров дисковой шлифовальной установки / С.М. Яхин, Р.И. Ибятов, Ф.Ф. Яруллин, З.Д. Гургенидзе // Техника и оборудование для села. - 2018. - № 1 (247). - С. 27-31.
9. Яхин, С.М. Кинематика игольчатого эллипсовидного диска ротационного почвообрабатывающего орудия / С.М. Яхин, И.И. Алиакберов, Л.М. Нуриев, Ф.Ф. Яруллин // Техника и оборудование для села. - 2020. № 2 (272). С. 12-15.
10. Яхин С.М., Гайнутдинов Р.Х., Марданов Р.Х. Ротационная борона с эллипсовидными дисками // Сельский механизатор. 2017. №6. С.8-9.
11. Валиев А.Р., Яруллин Ф.Ф. Определение оптимальных параметров взаимного расположения конических рабочих органов на раме почвообрабатывающего орудия // Вестник Казанского ГАУ. 2012. № 3 (25). С. 68-73.
12. Результаты экспериментальных исследований ротационного конического рабочего органа в почвенном канале / А.Р. Валиев, Ф.Ф. Яруллин, Р.И. Ибятов и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2014. №3 (33). С.78-85.
13. Валиев А.Р., Ибятов Р.И., Яруллин Ф.Ф. Обоснование параметров конического почвообрабатывающего рабочего органа путем решения многокритериальной задачи оптимизации // Достижения науки и техники АПК. 2017. № 7. С.69-72.
14. Yarullin F., Valiev A., Muhamadyarov F., Ziganshin B. Determination of energy characteristics of conical rotary working tool for tillage. 19th International Scientific Conference Engineering For Rural Development Proceedings, Volume 19 May 20-22, 2020 / Latvia University of Life Sciences and Technologies Faculty of Engineering, Jelgava, 2020 - P. 1069 - 1075.
15. Mukhametshin I., Valiev A., Muhamadyarov F., Kalimullin M., Yarullin F. Kinematic analysis of conical rotary subsoil loosener for tillage. 19th International Scientific Conference Engineering For Rural Development Proceedings, Volume 19 May 20-22, 2020 / Latvia University of Life Sciences and Technologies Faculty of Engineering, Jelgava, 2020 - P. 1946 - 1952.
16. Результаты полевых исследований почвообрабатывающего орудия с эллипсовидными дисками / Ф.Ф. Яруллин, Р.И. Ибятов, С.М. Яхин и др.// Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т. 14. № 2 (53). С. 123-127.
17. Theoretical substantiation of parameters of rotary subsoil loosener / A. Valiev, I. Mukhametshin, F. Muhamadyarov, et al. // 18th International Scientific Conference Engineering for Rural Development Proceedings. Jelgava: Latvia University of Life Sciences and Technologies Faculty of Engineering, 2019. Vol. 18. P. 312-318.
18. Мухаметшин И. С., Валиев А. Р. К анализу кинематики ротационного рабочего органа конусной формы // Вестник Ульяновской ГСХА. 2016. №2(34). С. 179-182.
19. Ермолко Е.В. Разработка и обоснование параметров рабочего органа геликоидального типа для поверхностной обработки почв: автореф. дисс. … канд. техн. наук: 05.20.01. Рязань, 1989. 24 с.
20. Особенности взаимодействия винтового рыхлителя с почвой / И. С. Мухаметшин, А. Р. Валиев, А.В. Алешкин и др. // Вестник Ульяновской ГСХА. 2018. №4(44). С. 50-182.
21. Increase of efficiency of tractors use in agricultural production / I.G. Galiev, K.A. Khafizov, N.R. Adigamov, et al. // 17th International Scientific Conference Engineering for rural development Proceedings. Jelgava: Latvia University of Life Sciences and Technologies Faculty of Engineering, 2018. Vol. 17. Р. 373-377.
22. Optimization of main parameters of tractor and unit for seeding cereal crops with regards to their impact on crop productivity / R.N. Khafizov, K.A. Khafizov, A.A. Nurmiev, et al. // 17th International Scientific Conference Engineering for rural development Proceedings. Jelgava: Latvia University of Life Sciences and Technologies Faculty of Engineering, 2018. Vol. 17. Р. 168-175
