г. Казань, Россия
УДК 631.3 Сельскохозяйственные машины и орудия. Сельскохозяйственное оборудование
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Исследования проводили с целью теоретического определения тягового сопротивления ротационного почвообрабатывающего орудия для предпосевной обработки почвы. При разработке теоретических предпосылок использовали результаты предыдущих исследований различных авторов, а также рациональную формулу, предложенную академиком В.П. Горячкиным, для определения тягового сопротивления плуга. Тяговое сопротивление Рт ротационного почвообрабатывающего орудия складывается из тягового сопротивления спирально-винтового рабочего органа ( ) и тягового сопротивления секции эллипсовидных игольчатых дисков ( ). В свою очередь тяговое сопротивление зависит от сил сопротивления почвы перекатыванию, трению и смятию, тяговое сопротивление складывается из сил сопротивления почвы трению, резанию и отбрасыванию. Согласно итоговому уравнению, тяговое сопротивление ротационного почвообрабатывающего орудия зависит от конструктивных (сила тяжести спирально-винтового рабочего органа, диаметры спирально-винтового рабочего органа и эллипсовидных игольчатых дисков, угол наклона образующей поверхности спирально-винтового рабочего органа к поверхности почвы, количество игл на эллипсовидном диске, угол наклона ступицы эллипсовидного игольчатого диска к оси вращения, количество эллипсовидных игольчатых дисков в секции), кинематических (поступательная скорость орудия, скорость резания почвы, показатель кинематического режима), технологических (ширина захвата орудия, глубина мульчирования почвы, ширина почвенной стружки, количество игл, одновременно находящихся в почве, коэффициент, учитывающий неровности поверхности спирально-винтового рабочего органа) параметров, а также физико-механических и технологических свойств почвы (плотность, коэффициент сопротивления перекатыванию, коэффициент трения скольжения, коэффициент удельного сопротивления резанию, коэффициент объёмного смятия, коэффициент отбрасывания). Полученное выражение может быть использовано при определении тягового сопротивления аналогичных почвообрабатывающих машин и орудий ротационного типа
ротационное почвообрабатывающее орудие, спирально-винтовой и игольчатые рабочие органы, тяговое сопротивление, конструктивные параметры, кинематические параметры
Введение. Обоснование конструктивных и кинематических параметров, обеспечение прочности деталей конструкции, сокращение энергетических затрат, а также выявление условий устойчивости движения агрегата – неотъемлемые этапы проектирования любого почвообрабатывающего орудия. Без определения тягового сопротивления, то есть силы, необходимой для перемещения почвообрабатывающего орудия по поверхности обрабатываемого поля выполнить указанные этапы проектирования орудия не представляется возможным [1, 2, 3].
Следует отметить, что динамическая система «рабочий орган – почва» очень сложна [4], а раздельное определение составляющих сил сопротивления почвы графоаналитическим методом представляет значительные трудности и может быть выполнено только при принятии отдельных допущений [5]. В связи с этим, при рассмотрении тягового сопротивления ротационных рабочих органов используют различные методики [6, 7], разработанные на основе рациональной формулы, предложенной академиком В.П. Горячкиным [8] для определения тягового сопротивления плуга.
Цель исследований – разработка теоретических предпосылок к определению тягового сопротивления ротационного почвообрабатывающего орудия с коаксиальным расположением рабочих органов.
Условия, материалы и методы. Методика определения тягового сопротивления ротационного почвообрабатывающего орудия базировалась на законах классической механики.
Ротационное почвообрабатывающее орудие для предпосевной обработки почвы [9] содержит коаксиально установленные на раме пассивный спирально-винтовой рабочий орган и секцию активных эллипсовидных игольчатых дисков. Следовательно, его тяговое сопротивление определяется согласно следующему уравнению:
(1)
где Рт – тяговое сопротивление ротационного почвообрабатывающего орудия, Н;
– тяговое сопротивление спирально-винтового рабочего органа, Н;
– тяговое сопротивление секции эллипсовидных игольчатых дисков, Н.
Результаты и обсуждение. Зависимость для определения тягового сопротивления спирально-винтового рабочего органа имеет вид (рис. 1):
(2)
где – сила сопротивления почвы перекатыванию, Н;
– сила сопротивления почвы различным видам деформации, Н.
Сила сопротивления почвы перекатыванию спирально-винтового рабочего органа вычисляется по известной формуле:
(3)
где kпер – коэффициент сопротивления почвы перекатыванию (например, при движении колёсных тракторов по стерне kпер = 0,08…0,1; по вспаханному полю kпер = 0,12…0,18); Gcв = mg – сила тяжести спирально-винтового рабочего органа и приходящаяся на его долю сила тяжести ротационного орудия, включая силу тяжести секции игольчатых дисков, Н (m – масса рабочего органа и масса орудия, которая приходится на его долю, кг; g – ускорение силы тяжести, м/с2).
Сила сопротивления почвы различным видам деформации зависит от сил сопротивления почвы трению и смятию. Выражение для её определения имеет вид:
(4)
где – сила сопротивления почвы трению, Н;
– сила сопротивления почвы смятию, Н.
Сила сопротивления почвы трению о рабочие поверхности спирально-винтового рабочего органа определяется согласно выражению:
(5)
где fтр – коэффициент трения скольжения почвы;
δ – угол наклона образующей поверхности спирально-винтового рабочего органа к поверхности почвы, град.
Силу сопротивления почвы смятию можно определить по так называемой формуле Грандвуане-Горячкина:
(6)
где kнр – коэффициент, учитывающий рост сопротивления из-за неровности поверхности рабочего органа (kнр= 1,1…1,3);
kсм– коэффициент объёмного смятия почвы, Н/м3(для вспаханного поля
kсм= (2…5) 106 Н/м3, для стерневого фона.
kcv=(10…20) 106 Н /м3); Всв – длина рабочего органа, м;
Dсв– диаметр рабочего органа, м.
Подставив в выражение (2) значения найденных ранее слагаемых, получим уравнение для определения тягового сопротивления спирально-винтового рабочего органа:
(7)
Теоретическая зависимость для определения тягового сопротивления секции эллипсовидных игольчатых дисков (рис. 2) имеет вид:
(8)
где – сила сопротивления почвы трению, Н;
– сила сопротивления почвы резанию, Н;
– сила сопротивления почвы отбрасыванию, Н.
С учётом того, что диск вращается «сверху вниз», направление горизонтальной составляющей Px равнодействующей всех элементарных сил сопротивления почвы различным видам деформации совпадает с направлением поступательной скорости Ve(иг) агрегата. Сила сопротивления почвы создает на валу игольчатого диска момент сопротивления:
(9)
где h – плечо приложения силы сопротивления почвы, м.
Момент сопротивления уравновешивается приводным моментом:
(10)
где Ро – окружное усилие, Н;
Dиг – диаметр эллипсовидного игольчатого диска, м.
Если приводной момент известен по экспериментальным данным, то из формулы (10) можно легко определить окружное усилие.
Сила сопротивления почвы трению зависит от нормальной реакции Nп и коэффициента fтр трения скольжения почвы и определяется по известной формуле: .В качестве нормальной реакции почвы в данном случае принимается сила тяжести снимаемой одной иглой почвенной стружки, вычисляемая по формуле:
(11)
где Fстр – площадь бокового сечения почвенной стружки, м2;
lстр – ширина почвенной стружки, м;
ρ – плотность почвы, кг /м3;
g – ускорение силы тяжести, м /с2.
Площадь бокового сечения почвенной стружки вычисляется из следующего уравнения:
(12)
где амл – глубина мульчирования почвы, м;
λ – показатель кинематического режима;
kигл – количество игл на диске, шт.;
ά – угол наклона ступицы диска к оси вращения, град.
Следовательно, окончательно имеем:
(13)
Силу сопротивления почвы резанию можно вычислить из зависимости:
(14)
где – коэффициент удельного сопротивления почвы резанию, Н/м2 (по данным Ф.М. Канарёва [4], который анализировал различные литературные источники, включая зарубежных, = (0,03…0,05) (МПа).
Сила сопротивления почвы отбрасыванию определяется по формуле:
(15)
где kотб – коэффициент отбрасывания почвы;
mп – масса почвы, отбрасываемой иглой за одну секунду, кг/с;
Vрез – скорость резания в момент входа иглы в почву, м/с.
Скорость резания почвы вычисляется согласно уравнению [10]:
(16)
где βcer – половина центрального угла сегмента окружности, в котором иглы поочерёдно погружаются в почву, град.;
ωиг – угловая скорость диска, с-1.
Величина βcer определяется по формуле:
(17)
Коэффициент отбрасывания почвы зависит от скорости резания и скорости поступательного движения почвообрабатывающего орудия, kотб = 0,7…0,75. В свою очередь, масса почвы, отбрасываемой иглой за одну секунду, вычисляется согласно зависимости:
(18)
где Vе(иг) – поступательная скорость орудия, м /с.
Таким образом,
(19)
После подстановки в уравнение (7) значений составляющих слагаемых с учетом количества kд игольчатых дисков в секции и количество игл, одновременно находящихся в почве, получим выражение для определения тягового сопротивления секции эллипсовидных игольчатых дисков в целом:
(20)
Количество игл, одновременно находящихся в почве, определяется из зависимости:
(21)
Окончательное уравнение для определения тягового сопротивления ротационного почвообрабатывающего орудия примет следующий вид:
(22)
Уравнение (22) показывает, что тяговое сопротивление ротационного почвообрабатывающего орудия зависит от конструктивных, кинематических и технологических параметров спирально-винтового рабочего органа и эллипсовидных игольчатых дисков, а также от физико-механических и технологических свойств почвы.
Вывод. Проведенное исследование позволяет решить задачу теоретического определения тягового сопротивления ротационного почвообрабатывающего орудия и выработать практические меры по его снижению. Теоретические предпосылки могут быть использованы при определении тягового сопротивления аналогичных почвообрабатывающих машин и орудий ротационного типа.
1. Borissov B. Resistance of operating equipment and agricultural machinery during progressive and rotary motion // Bulgarian of Journal of agricultural science. 2007. No 13, P. 141-149.
2. Traction resistance of a ripper with a current distribution line / Z. Batirov, Sh. Sharipov, Y. Mahmudov, et al. // E3S Web of Conferences. 2021. No. 264. 04050. URL: http://creativecommons.org /licenses//by/4.0/ (дата обращения: 21.06.2021).
3. Results of experiments to determine the traction resistance of a disk working body / R. Sakhapov, R. Gainutdinov, M. Mahmutov, et al. // E3S Web of Conferences. 2021. No. 222. 03006. URL: https://doi.org /10.1051/e3sconf/202022203006 (дата обращения: 21.06.2021).
4. Канарёв Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М.: Машиностроение, 1983. 142 с.
5. Тягово-приводные комбинированные почвообрабатывающие машины: монография / В.И. Ветохин, И. М. Панов, В.А. Шмонин и др. Киев: «Феникс», 2009. 263 с.
6. Аушев М.Х. Параметры и режимы работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата для предпосевной обработки почвы: дисс. … канд. техн. наук. Нальчик, 2018. 141 с.
7. Капустин А.Н. Основы теории и расчета машин для основной и поверхностной обработки почв, посевных машин и машин для внесения удобрений. Томск: Томский политехнический университет, 2013. 134 с.
8. Горячкин В.П. Собрание сочинений. М.: Колос, 1968. Т. 3. 360 с.
9. Яхин С.М., Алиакберов И.И., Нуриев Л.М. Ротационное комбинированное орудие для предпосевной обработки почвы // Патент РФ №195364, 23.01.2020.
10. 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. C. 12- 5.
