сотрудник
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.
