сотрудник
Россия
сотрудник
аспирант
, Россия
аспирант
, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
ОКСО 35.03.07 Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
Картофель в Российской Федерации по своей народнохозяйственной значимости занимает второе место после зерна. В общественном секторе картофель возделывается в фермерских, личных и подсобных хозяйствах. В связи с переходом на рыночные отношения в стране резко сократились площади под посадку картофеля, и как следствие, производство картофелеуборочной техники. Поэтому остро встал вопрос дальнейшего создания и выпуска простейшей картофелеуборочной техники и совершенствования их новых рабочих органов. Предуборочное удаление измельчение ботвы занимает важное место в технологии возделывания картофеля. Наиболее простым способом удаления ботвы является механический. В процессе эксплуатации замечено, что роторные машины обладают рядом недостатков, вызванных несовершенством конструкции ротора, его кинематических режимов, недостаточной уравновешенностью и надежностью. С целью устранения этих недостатков спроектирован и изготовлен ротационный ботвоизмельчитель с вертикальной осью вращения. Для обоснования конструктивных и режимных параметров проведены теоретические исследования процесса взаимодействия рабочего элемента ботвоизмельчителя с ботвой корнеклубнеплодов, в результате которых выявлены основные закономерности, характеризующие рабочий элемент. В частности, получена зависимость, позволяющая определить форму линии рабочего элемента, которая учитывает как конструктивные параметры, так и режимы работы разработанного измельчителя ботвы. Рабочий элемент из-за действия силы тяжести и сопротивления воздуха во время вращения не может представлять собой прямолинейный прут, то есть чем дальше точка рабочего элемента от центра вращения, тем больше она будет отставать от предполагаемой прямой. Значение отклонения будет в прямой зависимости от поперечного размера рабочего элемента и в обратной зависимости от линейной плотности его материала. Коэффициент сопротивления воздуха определяется экспериментально, из-за влияния на его величину как формы, структуры поверхности рабочего элемента, так и влажность и температура воздуха.
форма, параметр, элемент, линия, сила, ботвоизмельчитель
Введение. Качество уборки урожая во многом зависит от используемых технологий и применяемой сельскохозяйственной техники. Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур, возделываемых в Российской Федерации. Его используют для продовольственных, технических и кормовых целей. Картофель распространен в Российской Федерации повсеместно, в том числе и Нечерноземной зоне. Для облегчения работы картофелеуборочных машин и повышения количества и качества урожая картофельную ботву перед уборкой необходимо удалять. Наиболее простым способом удаления ботвы является механический. В процессе эксплуатации замечено, что роторные машины обладают рядом недостатков, вызванных несовершенством конструкции ротора, его кинематических режимов, недостаточной уравновешенностью и надежностью [1-6].
Условия, материалы и методы исследований. Для устранения вышеуказанных недостатков был разработан четырехрядный ротационный измельчитель ботвы картофеля тросового типа, представленный на рисунке 1 [7,8].
Устройство содержит раму 1 с механизмом навески 2 на тяговое средство (на чертеже не показано) и опорными колесами 3, смонтированными с возможностью изменения высоты среза ботвы посредством перемещения вдоль фиксирующих скоб 4 и возможностью изменения ширины колеи посредством установки регулировочных планок 6 между рамой и стойкой опорного колеса. Рама 1 снабжена прорезью 5, в которой с возможностью поперечного перемещения и фиксации смонтированы гидромоторы 7. Фиксация производится путем болтового соединения, а перемещение вручную, после его ослабления. Каждый вертикальный вал 8 жестко закреплен на выходном валу гидромотора 7. На нижнем конце каждого вертикального вала 8 радиально жестко закреплен ротор 9, на котором под углом 90 градусов друг к другу зафиксированы четыре рабочих элемента 10, выполненные гибкими из высокопрочного эластичного материала. В качестве такого материала может быть использован, например, полиуретан, нейлон. Устройство работает следующим образом.
В зависимости от ширины междурядья гидромоторы 7 перемещают в прорезях 5 путем ослабления болтового соединения и фиксируют после завершения регулировки ширины. Опорные колеса перемещают до необходимой ширины путем добавления или удаления планок 6 после предварительного ослабления фиксирующих скоб 4. Гидромоторы 7 получают привод от штатного насоса тягового средства через гибкие шланги (на чертеже не показаны), которые приводят в движение вертикальные валы 8 с рабочими элементами 10 из гибкого эластичного материала, которые начинают вращаться в горизонтальной плоскости.
В процессе срезания ботвы рабочие элементы 10 совершают одновременно вращательное и переносно-поступательное движение, перемещаясь по циклоиде. Поступательное движение определяет величину подачи рабочего элемента при срезании ботвы растений. Рабочие элементы, выполненные из гибкого эластичного материала, такого как полиуретан, нейлон, обеспечивают захват и срезание ботвы, но не повреждают корнеплоды.
Использование данного устройства позволит работать на посевах корнеклубнеплодов с различной шириной междурядий, а также значительно уменьшить травмируемость корнеплода.
Тросовый элемент используется при скашивании ботвы картофеля, титановый рабочий элемент эффективен на сильнозасоренных полях, а эластичный элемент используется на удалении ботвы сахарной свеклы.
Для установления рациональной формы и размеров ротационного рабочего органа проводились теоретические исследования процесса взаимодействия его с ботвой, в результате которых были получено уравнение, позволяющее определить форму линии гибкого рабочего органа при вращении.
Анализ и обсуждение результатов исследований. На форму линии гибкого рабочего элемента при вращении влияют центробежные силы Fц (см. рисунок 2) и силы сопротивления воздуха Fc, действующие на каждый элемент dl, а также силы упругости, возникающие при изгибе гибкого рабочего элемента [9-14]. Из опытов известно, что заметного изменения диаметра зоны вращения гибкого рабочего элемента не происходит даже при достаточно больших оборотах [15,16]. Это свидетельствует о том, что заметного изгиба рабочего элемента не происходит. Поэтому силы упругости троса можно не учитывать.
Силы, действующие на элемент линии dl в точке х (хL – проекция конца гибкого рабочего элемента на ось х).
Силы Fц и Fс являются суммарными силами, действующими на часть гибкого рабочего элемента от точки х до конца хL. Такие же силы действуют и на начальный участок до точки х. Но Fц и Fс возрастают с увеличением радиуса вращения и поступательной скорости. Будем считать, что эти силы учтены в силе натяжения элемента Т.
Пусть уравнение линии y= y(x). Тогда dFц, действующая на элемент dl линии, находящейся в точке х будет равна:
(1)
где σ – линейная плотность массы троса, направленная под углом β к оси х.
Проинтегрируем по всем х от точки х до конца, то есть до точки хL, учитывая, что dl=dx/cosα, где α – угол наклона dl в точке х. получим:
(2а)
(2б)
Сила сопротивления воздуха пропорциональна площади поперечного сечения dl на плоскость, перпендикулярную направлению и .
Степень n берут обычно равной 2 или 3:
, (3)
где α – коэффициент сопротивления, перпендикулярная dFц в каждой точке. Суммируя все dFc от точки х до конца хL получим:
(4а)
(4б)
где D – поперечный размер гибкого рабочего элемента.
Здесь учтено, что проекция dl на направление dFц равна dl·cos(α–β).
Суммируя силы по осям х и у, получим:
FX =(FЦ)X+(FС)X (5)
FY =(FЦ)Y+(FC)Y (6)
Считая, что Fx и Fy и определяют наклон dl, получим:
tg α = FY / FX
Теперь заменим все тригонометрические функции через х, у, у′, в результате получим:
Подставив (7а) и (7б) в (6), получим интегро-дифференциальное уравнение достаточно сложного вида относительно неизвестной функции y(x). Ранее мы уже говорили, что, если изгиб есть, то незначительный. Поэтому в первом приближении можно считать, что у(х)<<х и у’≈0. Тогда из (7а,б) получим:
(8а)
(8б)
Подставив (8а,б) в (6), получим для формы линии уравнение:
(9)
Проинтегрировав и сделав замену, при n=2 можно вычислить:
(10)
Окончательно для случая n=2 будем иметь:
Мы видим, что в этом случае форма линии не зависит от ω.
Если n=3, из (9) имеем:
(11)
Окончательно для случая n=3:
(11а)
В этом случае форма линии зависит от ω линейно, то есть чем больше ω, тем больше отклонение формы линии от прямой.
Общую формулу для формы линии можно получить, сложив у2 и у3. Для удобства анализа представим у(х) как функцию безразмерного параметра х/хL, причем, учитывая, что изогнутость мала, будем считать, что хL≤L.
(12)
Выводы. Режущий элемент – трос в нашем случае имеет вид петли. Поэтому за линейную плотность троса σ* необходимо брать 2σ, а за диаметр D оставить поперечный размер троса.
1. Из (12) видно, что отклонение у(х) тем больше, чем больше поперечный размер троса D и чем меньше линейная плотность материала σ.
2. Вначале отклонение практически не зависит от скорости вращения ω и соответствует первому слагаемому формулы. С увеличением скорости вращения все большее значение будет оказывать второе слагаемое.
3. Отклонение конца гибкого рабочего элемента от прямой в начальный период равно:
4. Коэффициенты сопротивления воздуха α2 и α3 необходимо определить из экспериментов, так как на их величину может влиять не только форма и структура поверхности гибкого рабочего элемента, но и климатические условия.
1. Новый способ отделения клубней картофеля от почвы и ботвы / Максимов Л.М., Максимов П.Л., Максимов Л.Л. // Сельский механизатор. 2009. № 3. С. 6-7.
2. Исследование влияния колебаний рабочих элементов на качество работы ботвоизмельчителя / Калимуллин М.Н., Абдрахманов Р.К. // Техника и оборудование для села. 2015. № 10. С. 35-37.
3. Исследование модернизированного ботводробителя бд-4м с шарнирными ножами / Угланов М.Б., Бачурин А.Н., Бышов Д.Н., Абрамов Ю.Н. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2017. № 128. С. 200-213.
4. Результаты экспериментальных исследований устройства для подкопки клубней картофеля на селекционных участках / Гордеев О.В., Латыпов Р.М., Аржикеев А.М. // Актуальные вопросы гуманитарных, экономических и технических наук: теория и практика (Материалы национальной научной конференции Института агроинженерии). Под ред. М.Ф. Юдина. 2019. С. 110-118.
5. Новый способ отделения клубней картофеля от почвы и ботвы / Максимов Л.М., Максимов П.Л., Максимов Л.Л. // Сельский механизатор. 2009. № 3. С. 6-7.
6. Обоснование режимов работы и параметров картофелеуборочной машины / Латыпов Р.М., Бикназаров Н.А., Зинуров В.Г. // Технические науки – агропромышленному комплексу России. (Материалы международной научно-практической конференции). ФГБОУ ВО "Южно-Уральский государственный аграрный университет". 2017. С. 187-191.
7. Rotary haulm chopper parameters development and substantiation for root and tuber crops / Kalimullin M.N., Abdrakhmanov R.K., Mikhailovich A.S. // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 10. С. 25691-25698.
8. Совершенствование технологии возделывания картофеля / Калимуллин М.Н., Абдрахманов Р.К., Галиев И.Г. // Техника и оборудование для села. 2017. № 4. С. 6-9.
9. Моделирование измельчителя ботвы картофеля / Первушин В.Ф., Иванов А.Г., Салимзянов М.З. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 6. С. 2-3.
10. Кинематический анализ работы ротационного рабочего органа с вертикальной осью вращения / Абдрахманов Р.К., Калимуллин М.Н., Авдеев А.В. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2007. Т. 2. № 2 (6). С. 111-112.
11. Определение частоты вращения ротора измельчителя ботвы картофеля / Первушин В.Ф., Иванов А.Г., Салимзянов М.З. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 9. С. 4-5.
12. Моделирование работы ротора ботводробительной машины с шарнирными ножами / Абрамов Ю.Н., Бышов Н.В., Угланов М.Б., Юдаев Ю.А. // Тенденции инженерно-технологического развития агропромышленного комплекса. Материалы Национальной научно-практической конференции. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации; Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева», Совет молодых учёных ФГБОУ ВО РГАТУ. 2019. С. 8-12.
13. Определение оптимального диаметра рабочего элемента ботвоизмельчителя / Абдрахманов Р.К., Калимуллин М.Н., Архипов С.М. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2008. Т. 3. № 4 (10). С. 128-129.
14. Кинематика движения зубчатого ротационного рабочего органа / Булгариев Г.Г., Калимуллин М.Н., Абдрахманов Р.К., Хамитов Р.Р. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. Т. 11. № 3 (41). С. 68-71.
15. Модель зависимости полноты уничтожения колорадского жука от частоты вращения ротора и скорости движения ботвоизмельчителя / Калимуллин М.Н., Гильфанов Р.М., Абдрахманов Р.К. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. Т. 11. № 1 (39). С. 82-86.
16. Результаты испытаний ротационного ботвоизмельчителя БИР-2 / Исмагилов Д.М., Абдрахманов Р.К., Калимуллин М.Н., Зиатдинов Р.Р. // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 12. С. 61-64.
