Россия
г. Казань, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Ротационные почвообрабатывающие орудия в силу известных преимуществ широко применяют при возделывании многих сельскохозяйственных культур. В конструктивном плане рабочие органы ротационных орудий располагаются (устанавливаются) на раме, как правило, последовательно один за другим. Это снижает маневренность почвообрабатывающего агрегата, увеличивает материалоёмкость орудия и энергоёмкость технологической операции. В разработанном в Казанском ГАУ ротационном почвообрабатывающем орудии для предпосевной обработки почвы эти недостатки устранены путём установки спирально-винтового рабочего органа и секции активных эллипсовидных игольчатых дисков на раме коаксиально. В работе определены и обоснованы конструктивные параметры эллипсовидного игольчатого диска. Получена теоретическая зависимость для обоснования угла α наклона большой оси эллипсовидного диска к оси вращения. Рациональное его значение должно соответствовать условию: α>44°…62°. Приведено выражение для определения количества игл на диске. Расчёт, выполненный при диаметре диска Dиг =0,4 м, угле α=65°, показателе кинематического режима λ =2, глубине мульчирования aмл =0,04 м, гребнистости hгр=0,004 м показал, что рациональное количество игл на диске kигл =16. Аналитическим способом выведено теоретическое выражение для определения угла наклона игл к оси вращения. Выполненный при α=65° расчёт показал, что первая игла наклонена к оси вращения под минимальным углом jmin=65°, пятая и тринадцатая иглы наклонены к оси вращения под углом 90°, девятая – под максимальным углом jmax=115°. Получены также теоретические зависимости для определения угла закрепления игл на ступице и длины игл по всему периметру диска. Каждая игла закрепляется на ступице диска под своим расчётным углом наклона, равным 29,0°…32,6°, а длина игл по периметру ступицы меняется в пределах 0,1372…0,1503 м
почвообрабатывающее орудие; эллипсовидный игольчатый диск; конструктивные параметры
Игольчатые рабочие органы почвообрабатывающих машин и орудий обеспечивают меньшее распыление и истирание почвы, не забиваются растительными остатками и почвой даже при повышенной влажности, их тяговое сопротивление значительно меньше, чем у других рабочих органов [1, 2, 3]. Как правило, рабочие органы известных ротационных орудий устанавливают на раме последовательно один за другим. Однако в последние десятилетия наметилась и развивается тенденция их установки коаксиально
[4, 5, 6]. Такие орудия более компактны, менее материалоёмки, но вопросы взаимодействия их с почвой мало изучены.
Цель исследований – определение и обоснование основных конструктивных параметров эллипсовидного игольчатого диска почвообрабатывающего орудия.
Условия, материалы и методы. Методика исследований предусматривала разработку теоретических предпосылок для определения и обоснования основных конструктивных параметров эллипсовидного игольчатого диска и базировалась на положениях аналитической геометрии и законах классической механики.
Практические расчёты выполнены с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel из стандартного набора Microsoft Office.
Результаты и обсуждение. В ротационном почвообрабатывающем орудии [7, 8] секция эллипсовидных игольчатых дисков коаксиально установлена внутри спирально-винтового рабочего органа и снабжена активным приводом. Эллипсовидные игольчатые диски совершают в пространстве сложное перемещение и, в отличие от других подобных рабочих органов, деформируют почву не только прокалыванием и растяжением, но и растаскиванием, что обеспечивает эффективное мульчирование и выравнивание поверхности поля, а также уничтожение сорной растительности.
Конструктивная особенность эллипсовидного игольчатого диска (далее – диска) – наклон его большой оси к оси вращения под углом, который вычисляется по формуле:
(1)
где α – угол наклона большой оси диска к оси вращения, град;
Dиг – диаметр диска, м;
2а – большая ось диска, м.
Соблюдение условия (1) обеспечивает стабильную и устойчивую динамику диска, поскольку в этом случае достигается постоянство расстояния конечных точек всех игл от оси вращения.
В процессе обработки почвы иглы под действием усилия Риг поочерёдно входят в почву (рис. 1). Их скользящее вхождение в вертикально-поперечной плоскости обеспечивается лишь в том случае, когда соблюдается следующее неравенство:
Риг ∙sin α > Риг ∙cos α∙tg φтр (2)
рабочую поверхность, град;
Риг – усилие, Н;
α – угол наклона большой оси диска к оси вращения, град.
После определённых преобразований из выражения (2) можно получить: α > φтр В случае, когда концы игл затачивают с двух сторон или выполняют в виде конуса, выражение для определения угла наклона большой оси диска имеет другой вид:
где і – угол двухсторонней заточки иглы или половина угла при вершине конуса, град.
С учётом значений угла трения различных типов почв о стальную поверхность рабочих органов и при і=20°, имеем: α>44°…62°. Исходя из этого при проектировании орудия был выбран угол α=65°.
При оптимальном значении показателя кинематического режима количество игл на диске определяется из условия обеспечения заданной гребнистости подошвы по следующей формуле [8]:
(3)
Перед вторым членом выражения (3) для диска, вращающегося «сверху вниз», необходимо использовать знак минус, для диска, вращающегося «снизу вверх» – плюс. В расчётах необходимо учесть, что допустимая гребнистость составляет 0,1…0,2 от заданной глубины aмл обработки почвы, а подача на одну иглу не должна превышать 0,1 м [9]. Выбирая режим вращения диска «сверху вниз», при исходных параметрах Dиг=0,4 м; α=65°; λ=2; aмл =0,04 м; hгр=0,004 м из выражения (3) имеем, что рациональное количество игл kигл =16.
Иглы по периметру диска наклонены к оси вращения под разными углами, определяемыми согласно уравнению:
(4)
где – угол, характеризующий положение начальных точек игл, град.
Величина угла зависит от профильного углового шага , который определяется по формуле:
Особо отметим, что угол рассчитывается для каждой иглы в отдельности согласно уравнению перевода угловых параметров из одной координатной системы в другую [10]:
В связи с тем, что диск эллипсовидный, его иглы по периметру имеют разную длину. Определять длину игл удобнее путём фиксирования их начальных и конечных точек соответствующими углами (рис. 2).
Начальные точки игл на профильной плоскости фиксирует угол Угол фиксирования конечных точек игл на этой же плоскости вычисляется согласно выражению:
(6)
где ξ2 – угол между радиусом OF диска и радиусом OT ступицы, град.
Для определения угла ξ2 сначала нужно определить угол ξ1 между профильной проекцией рассматриваемой иглы FT и радиусом OF диска. Из треугольника OFT на основании теоремы синусов имеем:
0,5∙Dиг/sin(180° – βн) = 0,5∙Dст / sin ξ1 (7)
где Dст – диаметр ступицы.
Из выражения (7) определяем угол 1, постоянный по всему периметру диска:
ξ1 =arcsin∙(Dст∙sin∙βн /Dиг) (8)
Далее из упомянутого треугольника определяем угол ξ2:
ξ2 = 180° – (180° – βн) – ξ1 = βн – ξ1 (9)
Таким образом, окончательно имеем:
(10)
Угол фиксирования конечной точки F иглы (рис. 3) вычисляется с учётом угла в соответствии с формулой перевода (5) согласно уравнению:
(11)
Истинное значение угла между полярным радиусом OF диска и полярным радиусом OT ступицы вычисляется из формулы:
(12)
Наконец, из треугольника OFT на основании теоремы косинусов можно определить длину игл по всему периметру диска:
(13)
Полярные радиусы диска и ступицы, которые проходят через начальные и конечные точки игл, рассчитываются на основании канонического уравнения эллипса согласно выражениям соответственно:
(15)
Конструктивная особенность диска заключается в том, что его иглы закрепляются на ступице не радиально, а с наклоном назад на угол βн. Этот параметр зависит от угла наклона игл на профильной плоскости, значение которого выбирается согласно зависимости:
(16)
Учитывая среднее значение угла трения скольжения почвы, равное 30°, из этого неравенства имеем, что βн<60°. При проектировании орудия мы выбрали угол βн =30. Для определения самого угла рассмотрим треугольник OFT (см. рис. 3). На основании теоремы синусов можно записать:
OF / sin (180° – β) = FT / sin (17)
С учётом того, что OF = ; а FT = lигл, из выражения (17) окончательно получим:
(18)
Из выражения (18) видно, что каждая игла закрепляется на ступице диска под своим расчётным углом наклона.
Для проверки достоверности теоретических предпосылок был выполнен практический расчёт параметров при следующих исходных данных: Dиг=0,4 м; Dст= 0,14 м,
kигл = 16; амл= 0,04 м; α = 65°, βн= 30°. Под номером один выбрана игла, начальная точка Т которой занимает крайнее нижнее положение, причём через эту точку проходит большая ось 2а диска. Далее нумерация игл идёт по часовой стрелке. Профильный угловой шаг игл:
. Поскольку начальная точка первой иглы совпадает с началом системы отсчёта, то для неё = 0°. Для второй иглы =22, 5°, для третьей =45° и так далее. Промежуточные расчётные углы в профильной плоскости: ξ1 = 10°; ξ2 =20°. В соответствии с выражением (12) угол фиксирования конечной точки первой иглы = 20°. Для второй иглы = 42,5°, для третьей –
=65° и так далее.
Первая игла наклонена к оси вращения под минимальным углом jmin=65°, при этом угол закрепления иглы на ступице β=29,0° (рис. 4). Пятая и тринадцатая иглы наклонены к оси вращения под углом 90°, в этом случае угол их закрепления на ступице β=32,6°. Девятая игла наклонена к оси вращения под максимальным углом jmax =115°, а угол закрепления иглы на ступице β=29,0°.
Изменение длины игл по периметру ступицы носит синусоидальный характер (рис. 5). Наибольшая (0,1503 м) она у восьмой и шестнадцатой иглы, минимальная (0,1372 м) – у третьей и одиннадцатой иглы. Длина пятой и тринадцатой игл равна значению диаметра ступицы диска, то есть 0,14 м.
Выводы. Выполненное исследование и проведённые расчёты позволяют спроектировать секцию эллипсовидных игольчатых дисков активного действия почвообрабатывающего орудия с рациональными конструктивными параметрами: диаметр диска Dиг=0,4 м, угол наклона большой оси диска к оси вращения α=65°, количество игл на диске kигл =16, профильный угловой шаг игл = 22, 5°, угол закрепления игл на ступице β=29,0°…32,6°, длина игл по периметру ступицы lигл=0,1372…0,1503 м.
1. Samadalashvili A. The batch-combined minimum tillage farming machine // International scientific, scientific applied and informational journal. Sofia. 2015. No. 3. P. 6-10.
2. Petrov A. M. Justification of optimal design and technological parameters of discs of the combined working body // Bio web of conferences. 2020. Vol. 17. 00016 URL: https://www.bio-conferences.org/articles/bioconf/abs/2020/01/bioconf_fies2020_00016/bioconf_fies2020_00016.html (дата обращения: 10.04.2021).
3. Rzaliev A. S. Combined tool for main strip tillage by strip - till technology in the conditions of south Kazakhstan // Advances in current natural sciences. 2019. No. 7. P. 26-32.
4. Кузьмин М. В. Нетрадиционные рабочие органы для технико-технологической модернизации сельскохозяйственного производства: автореферат дисс. … докт. техн. наук. М.: ФГОУ ВПО РГАЗУ, 2009. 24 с.
5. Яхин С. М., Валиев А. Р., Зиганшин Б.Г., Семушкин Н.И., Камалиев А.А. Борона ротационная мульчирующая // Патент РФ № 2492606, 20.09.2013.
6. Теличкина Н.А. Обоснование параметров комбинированного культиватора с тросовым и катковым рабочими органами для предпосевной обработки почвы: дисс. ... канд. техн. наук. Троицк: Южно-Уральский ГАУ, 2018. 153 c.
7. Яхин С. М., Алиакберов И. И., Нуриев Л. М. Ротационное комбинированное орудие для предпосевной обработки почвы // Патент РФ № 195364, 23.01.2020.
8. Кинематика игольчатого эллипсовидного диска ротационного почвообрабатывающего орудия / С. М. Яхин, И. И. Алиакберов, Л. М. Нуриев и др. // Техника и оборудование для села. 2020. № 2 (272). С. 12-15.
9. Матяшин Ю. И. Теория сельхозмашин с ротационными рабочими органами // Вестник Казанского ГАУ. 2009. № 2(12). С. 179-185.
10. Гайнутдинов Р. Х. Обоснование параметров и разработка ротационного орудия с эллипсовидными дисками для поверхностной обработки почвы: дисс. ... канд. техн. наук. Казань: Казанский ГАУ, 2019. 146 c.
