Россия
Для поверхностной обработки почвы широко используют ротационные орудия с дисковыми рабочими органами. В последние десятилетия проводятся интенсивные исследования по разработке ротационных орудий с многоугольными дисками. Они были реализованы на практике в виде шестиугольных дисков, закреплённых на валу под углом 90° и совершающих обычное вращательное движение вокруг его оси. Интерес представляют многоугольные диски, которые закрепляются на валу наклонно. Известное почво-обрабатывающее орудие с наклонными квадратными дисками не было реализовано на практике, поскольку оказалось технологически неустойчиво и не обеспечивало равномерную глубину обработки почвы. В разработанном почвообрабатывающем орудии эти недостатки устранены. В результате исследования получены аналитические зависимости, которые позволили обосновать параметры почвообрабатывающего орудия, содержащего наклонно за-креплённые шестиугольные диски: ширина захвата орудия (моду-ля) В =1,8 м; число ротационных батарей – 2; диаметр диска D = 0,32…0,48 м; угол закрепления дисков на валу > 50°…55°; рас-стояние между центрами дисков S = 0,100…0,105 м; число дисков в батареи n = 17 шт.; угол поворота (смещения) дисков один относительно другого вокруг оси вала ɛ = 11,25°. Предложена форму-ла для определения угла вхождения сегментов диска в почву. Рас-чёт, выполненный при α = 70°, показал, что первый и шестой сегменты входят в почву под углом 72,5°, второй и пятый – под углом 90°, третий и четвёртый – под углом 107,5°. Варьирование угла вхождения в почву способствует самоочищению междискового пространства от прилипшей почвы и растительных остатков. Величины этого показателя используются при определении тягового сопротивления орудия.
почвообрабатывающее орудие, шестиугольные диски, диаметр, угол наклона, конструктивные параметры.
Введение. Для поверхностной обработки почвы широко используют ротационные орудия с дисковыми рабочими органами [1, 2, 3]. В конструктивном плане диски выполняют круглыми, сферическими, игольчатыми, эллипсовидными и многоугольными [4, 5, 6]. Многоугольные диски почвообрабатывающих орудий были разработаны в последние десятилетия учёными Омского ГАУ [7, 8] и реализованы на практике в виде вписанных в окружность шестиугольных дисков. Интерес представляют многоугольные диски, которые закрепляются на валу наклонно и, следовательно, совершают сложное пространственное движение. Первая попытка разработки почвообрабатывающего орудия с наклонными квадратными дисками была предпринята исследователями из Франции [9]. Однако орудие не было реализовано, поскольку оказалось технологически неустойчивым и не обеспечивало равномерную глубину обработки почвы. В результате наклонного закрепления квадратных дисков на валу их профильные проекции становились прямоугольными, а это приводит к нарушению постоянства расстояния от вершин квадратных дисков до оси вращения. Поэтому в процессе обработки почвы рама секции совершает вертикальные колебания, а сами диски работают рывками.
Цель исследований – обоснование параметров ротационного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы с наклонными шестиугольными дисками.
Условия, материалы и методы. Методика расчёта предусматривала разработку теоретических предпосылок для обоснования параметров ротационного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы (рис. 1), разработанного в Казанском ГАУ.
Рис. 1 – Конструктивно-технологическая схема орудия: 1 – рама; 2 – навесное устройство; 3 – опорные колёса; 4 – винтовые механизмы регулировки глубины обработки; 5, 6 – ротационные батареи; 7, 8 – валы; 9 – наклонные шестиугольные диски; 10, 11 – подшипниковые опоры; 12 – цепная передача: 13 – шарнирные поводки; 14 – прикатывающий ротор; 15 – пружинный догружатель
Орудие состоит из цельносварной рамы 1, навесного устройства 2, опорных колёс 3, которые снабжены винтовыми механизмами 4 регулировки глубины обработки почвы. На раме 1 размещены ротационные батареи 5 и 6, которые включают жёстко закреплённые на валах 7 и 8 наклонные шестиугольные диски 9. Валы 7 и 8 установлены на подшипниковых опорах 10 и 11 и для синхронизации работы кинематически соединены между собой при помощи цепной передачи 12. На раме 1 посредством шарнирных поводков 13 установлен также прутковый прикатывающий ротор 14, снабжённый пружинным догружателем 15.
При поступательном движении орудия шестиугольные диски 9 заглубляются в почву на заданную глубину обработки. Благодаря силе трения почвы о рабочие поверхности, они вращаются вокруг своих осей и совершают в вертикально-поперечной плоскости дополнительное колебательное движение. В результате активизируется процесс рыхления почвы, дробления и измельчения комков. Благодаря надёжному и стабильному защемлению и разрезанию кромками дисков почвенно-растительной массы в двух плоскостях сорная растительность уничтожается эффективнее. Прутковый ротор 14 в свою очередь выравнивает микрорельеф, дополнительно крошит почву и уплотняет разрыхленный верхний слой.
Шестиугольные диски с точки зрения геометрии исполнения представляют собой вписанные в эллипс плоские шестиугольные пластины с двухсторонней заточкой рабочих граней (рис. 2).
Они закреплены на валу батареи с наклоном большой оси эллипса к оси вала строго под углом a:
a = 
(b
а), (1)
где b – малая полуось эллипса, м; а – большая полуось эллипса, м.
Такое закрепление дисков обеспечивает постоянство расстояния от их вершин до оси вращения вала, поскольку только в этом случае профильная проекция эллипса, который описывает шестиугольные диски, превращается в окружность с диаметром D, следовательно, в «правильные» шестиугольники.
Методика расчётов предусматривала разработку теоретических предпосылок для обоснования параметров ротационного орудия для поверхностной обработки почвы с наклонными шестиугольными дисками и базировалась на основных положениях аналитической геометрии. Практические расчёты выполнены с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel из стандартного набора Microsoft Office.
Результаты и обсуждение. Один из основных параметров почвообрабатывающего орудия – диаметр окружности, которая описывает шестиугольный диск в профильной плоскости (диаметр шестиугольного диска). Он определяется согласно известной эмпирической зависимости [10]:
D = k 
п , (2)
где k – коэффициент, равный для орудий поверхностной обработки почвы 4…6; п – глубина обработки почвы, м.
Рис. 2 – Схема наклонного шестиугольного диска: D – диаметр диска; φ – угол, характеризующий положение сегментов шестиугольника в профильной плоскости; ψ – угол, характеризующий положение сегментов шестиугольника в плоскости самого диска; 2b, 2а– малая и большая оси эллипса; L, с – геометрические размеры диска
Поскольку п = 0,08 м, из формулы (2) имеем, что рациональные значения диаметра D = 0,32…0,48 м.
Значения параметров самого эллипса определяются исходя из величин диаметра D диска и угла α закрепления его на валу, согласно выражениям:
а =
(2 sin a); b = 
2. (3)
Отметим, что значение угла α, входящего в выражение (3), должно обеспечивать скользящее вхождение режущих кромок дисков в почву. Выражение для обоснования рациональной величины угла закрепления шестиугольных дисков на валу батареи имеет вид:
a > 
+ і. (4)
где – угол трения скольжения почвы о рабочие поверхности диска, град; і – угол заточки диска, град.
Если взять за основу значений угла трения различных почв о стальную поверхность рабочих органов = 35°…40°, а угла заточки дисков і = 15°, то в соответствии с формулой (9) получим, что рациональная величина угла закрепления дисков на валу батареи должна соответствовать условию: a > 50°…55°.
В ходе технологического процесса треугольные сегменты (далее – сегменты) диска в течение одного оборота поочерёдно входят в почву под разными углами b, определяемыми по уравнению:
β = 
, (5)
где ψ – угол, характеризующий положение сегментов в плоскости диска, град.
Угол
рассчитывается для каждого из шести сегментов в отдельности (рис. 2) в соответствии с формулой перевода угловых параметров из одной координатной системы в другую, согласно выражению:
, (6)
где φ – угол, характеризующий положение сегментов в профильной плоскости, град.
Результаты расчёта, проведённого при a = 70°, свидетельствуют о том, что значения углов β вхождения сегментов шестиугольного диска в почву в течение одного оборота различны (см. табл.). Первый и шестой сегменты диска входят в почву под углом 72,5°, второй и пятый – под углом 90°, третий и четвёртый – под углом 107,5°. Переменный характер угла вхождения дисков в почву способствует самоочищению междискового пространства от прилипшей почвы и растительных остатков и учитывается при определении тягового сопротивления орудия.
Таблица – Результаты расчёта параметров шестиугольного диска
|
Номер сегмента шестиугольного диска
|
φ, градус |
градус градус градус |
β, градус градус |
|
1 |
30 |
28,5 |
72,5 |
|
2 |
90 |
90 |
90 |
|
3 |
150 |
151,5 |
107,5 |
|
4 |
210 |
208,5 |
107,5 |
|
5 |
270 |
270 |
90 |
|
6 |
330 |
331,5 |
72,5 |
После определения рациональных значений 
и a рассчитываются параметры самого эллипса:
а = (2 sin a) = 0, 42 (2 
0, 939) = 0, 223 м;
b = 2 = 0, 42 2 = 0, 21 м.
Динамическая устойчивость ротационных орудий зависит, как известно, от взаимного уравновешивания осевых реакций почвы на рабочие поверхности в каждой батареи. В предлагаемом почвообрабатывающем орудии, в отличие от известной конструкции [9], оно достигается путём поворота (смещения) шестиугольных дисков один относительно другого вокруг оси вала по часовой или против часовой стрелки строго на угол, вычисляемый по следующей формуле:
ɛ = 180 k (n –1), (7)
где n – количество шестиугольных дисков в секции, k – нечётное количество периодов суммарного поворота дисков на 180°.
При проектировании орудия возникает задача рационального размещения шестиугольных дисков на валах ротационных батарей, поскольку от этого зависит качество обработки почвы и устойчивость работы ротационного орудия. Рассмотрим этот вопрос при следующих исходных данных и рациональных параметрах (рис. 3): ширина захвата почвообрабатывающего орудия (модуля) В =1,8 м; диаметр дисков D = 0,42 м; угол закрепления дисков на валу a = 70°; расстояние между центрами дисков (шаг расстановки дисков) S= 0,105 м.
Рис. 3. – Схема расстановки шестиугольных дисков: В – ширина захвата почвообрабатывающего орудия; D – диаметр дисков; S – расстояние между центрами дисков; А – амплитуда колебаний вершин шестиугольных дисков
Ротационные батареи устанавливают, как правило, в два ряда. Определяем необходимое количество шестиугольных дисков в каждой батареи:
n = В S = 1,8 0,105 = 17,14 шт. (8)
Округляем полученное значение количества дисков до ближайшего целого числа, то есть n = 17 шт.
Взяв за основу k = 1, рассчитаем по выражению (6) угол поворота дисков один относительно другого, обеспечивающий полное взаимное уравновешивание осевых реакций почвы:
ɛ = 180 k (n –1)= 180 1 (17 – 1) = 11,25°.
Величина амплитуды колебания вершин шестиугольных дисков составит:
А = D 
tg a = 0,42 2,747 = 0,15 м.
Проверка параметра ширины захвата показала, что его величина совпадает с заданным значением, что указывает на правильность проведённого расчёта:
В = S (n – 1) + 0,5 А + 0,5 А = 0,105 (17 – 1) + 0,075 + 0,075 = 1,8 м.
В заключение определим отдельные геометрические размеры шестиугольного диска, которые необходимы при его изготовлении (см. рис. 2, поз. Б):
L = D 
30° = 0,42 0,866 =0,363 м;
с = D / (2sin a) = 0,42 / (2 0, 939) = 0,223 м.
Вывод. Разработанные теоретические предпосылки и произведённые расчёты позволяют спроектировать и изготовить ротационное почвообрабатывающее орудие для поверхностной обработки почвы с рациональными технологическими и конструктивными параметрами: ширина захвата В = 1,8 м; количество ротационных батарей 2; диаметр дисков D = 0,42 м, угол закрепления дисков на валу a = 70°, расстояние между центрами дисков S= 0,105 м; количество дисков в каждой батареи n = 17 шт.; угол поворота (смещения) дисков один относительно другого вокруг оси вала ɛ = 11,25°.
1. Valiev А., Muhamadyarov F. Study of soil stratum deformation by disc cultivator // Engineering for Rural Development Proceedings. Jelgava, 2016. Р. 1378-1385.
2. Samadalashvili A. The batch-combined minimum tillage farming machine // International scientific, scientific applied and informational journal. 2015. Vol. 61. No. 3. P. 6-10.
3. Gainutdinov R., Zemdikhanov M. Kinematics of the disk working body for ground development // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 274. 11006. URL: https://www.e3s-conferences.org/articles/e3sconf/abs/2021/50/e3sconf_stcce2021_11006/e3sconf_stcce2021_11006.html (дата обращения 19.04.2022). doi:https://doi.org/10.1051/e3sconf/202127411006
4. Гайнутдинов Р.Х., Яхин С.М., Алиакберов И.И. Ротационное орудие для поверхностной обработки почвы с эллипсовидными дисками // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2016. - № 2 (40). С. 64-67.
5. Алиакберов И.И., Яхин С.М., Нуриев Л.М. Обоснование параметров эллипсовидного игольчатого диска почвообрабатывающего орудия // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. № 2(62). С. 65-69.
6. Яхин С.М., Гайнутдинов Р.Х., Марданов Р.Х. Ротационная борона с эллипсовидными дисками // Сельский механизатор. 2017. №6. С. 8-9.
7. Союнов А.С. Обоснование параметров дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий: дис. … канд. техн. наук. Омск, 2011. 135 с.
8. Кобяков И.Д. Механико-технологические основы работы шестиугольных дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий: дисс. … докт. техн. наук. Новосибирск, 2013. 316 с.
9. Патент Франции, заявка № 2379241, A01B 33/02, 33/08. Культиватор. Опубл. 13.10.1978, Бюлл. № 40.
10. Обоснование и определение бороздообразователя картофелесажалки / М.Н. Калимуллин, Д.Т. Халиуллин, И.Х. Гайфуллин и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. № 3(67). С. 84-89.
11. Математическая модель задачи о замене оборудования / В. В. Королева, Е. Г. Филиппов, В. В. Ячменева, Б. Г. Зиганшин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2022. - Т. 17. - № 3(67). - С. 90-95. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-90-95. - EDN DWUVGO.
12. Юнусов Г. С. Теоретические исследования катка для малогабаритной почвообрабатывающей машины / Г. С. Юнусов, Н. Н. Андержанова, А. В. Алешкин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16. - № 2(62). - С. 80-85. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-80-85.
13. Влияние фертигации на засоление почвы / Б. Г. Зиганшин, И. Г. Галиев, Р. К. Хусаинов [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2020. - Т. 15. - № 4(60). - С. 67-70. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-67-70. - EDN KMGJYM.
14. Энергосберегающая подготовка почвы под посадку хмеля / П. А. Смирнов, А. Г. Терентьев, Н. Н. Пушкаренко [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16. - № 4(64). - С. 68-74. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-68-74. - EDN BIVSUI.
15. Галиев, И. Г. Модернизация смазочной системы подшипника турбокомпрессора дизельного двигателя / И. Г. Галиев, Е. П. Парлюк, Б. Г. Зиганшин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16. - № 3(63). - С. 67-71. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-67-71. - EDN QQSGUF.
