Россия
сотрудник
Воронеж, Воронежская область, Россия
Важной технологической операцией при уходах за лесными культурами является механизированное срезание ветвей нежелательной растительности. Рабочие органы, которыми проводится срезание отличаются по конструкции и энергетическим затратам на процесс резания. Для выбора рабочих органов в наибольшей степени, отвечающих объекту резания, необходимо разработать методику и провести экспериментальные исследования процесса резания ветвей. В настоящее время для экспериментального исследования параметров машин широко используются системы, основанные на тензометрии, однако наряду с ними все активнее внедряется цифровой интерфейс в измерительные средства такие как осциллографы и мультиметры. При исследовании процесса резания ветвей ротором, который приводится во вращение электродвигателем, силы сопротивления резания будут создавать крутящий момент на валу, что приведёт к изменению потребляемой силы тока. Изменение силы тока можно измерить мультиметром, что позволит установить мощностные показатели процесса резания для исследуемых роторов. В работе, используя реверс-инжиниринг с помощью САПР Solidworks и разработаны 3D модель роторов с жестко установленным и шарнирно-закрепленными лезвиями. Определены основные геометрические и массовые характеристики роторов. Разработан принцип подключения измерительного оборудования мультиметр UNI-T 61E; шунт 75ШИП1-5-0.5 для измерения мощности резания ветвей. Проведены экспериментальные исследования и установлены различия в мощностных показателях резания для двух типов рабочих органов
кусторез, эксперимент, САПР, древесно-кустарниковая растительность, ротор, шарнирно-сочлененные звенья, лезвия
Введение
Важной технологической операцией при уходах за лесными культурами является механизированное срезание ветвей нежелательной растительности. Как правило рабочий орган представляет из себя ротор с жестко или шарнирно закрепленным режущими элементами. Рабочие органы, которыми проводится резание отличаются по конструкции и энергетическим затратам на процесс резания. Bingqiang Li ·создал динамическую модель системы ротор-лопатка с учетом влияние нелинейных опор. Вал моделируется как вращающаяся балка, а лопасти как балка Эйлера-Бернулли. Провел анализ нелинейной вибрации и динамической устойчивости роторно-лопастной системы [1]. Kun Yu разработал динамическую модель роторной системы, которая позволяет проводить анализ сигналов неисправности, вызванных ударными воздействиями. Установил ключевые факторы обнаружения неисправностей – импульс в полосе высоких частот и быстро меняющейся частотно-модулированный сигнал [2,3]. Yuqi Li. разработал динамическую модель, которая позволяет прогнозировать характеристики системы ротор-подшипник с болтовым соединением и исследовать влияние ротора на возникающие на нем реакции [4]. Предложил новый индекс для выявления неисправностей роторной системы на основе метода частотных характеристик высокого порядка к общей выходной характеристике ротора [5]. Хinxing MA Используя Matlab и Ansys разработал имитационную модель двухроторной системы с демпфером на подшипниках качения. Исследовал характеристики виброотклика и установил скачки амплитуды для разных скоростей вращения ротора [6]. Jafar Aghayari провел исследования по снижению вибрации ротора с лопастями для увеличения его срока службы. Используя метод конечных элементов определил моды и диаграммы ротора и решил методом Рунге-Кутты его уравнения движения [7]. Chao Xiong Разработал аналитическую модель учитывающую распределение сил по трем осям. основанная на анализе напряжений. Определены зависимости напряжений от глубины резания. Определено влияние коэффициента теплопередачи на величину термических напряжений [8]. Ebrahim Farrokh разработал методологию для прогнозирования времени смены лезвия ротора. На основании статистических данных установил зависимость между времени смены резца и скоростью резания. По результатам статистического анализа установил основные параметры резца, влияющие на его износ. Получил модель износа резца на основании статистических данных [9]. Yang Liu Исследовал динамику роторов на лабораторном стенд включающим двигатель, ротор, измерительное оборудование передающее сигнал через USB порт на ноутбук с установленным ПО LabView. Разработал динамическую модель двухдисковой роторной системы. Установил влияние скорости вращения ротора и зазора в его подшипнике на вибрацию [10]. Марков А.М. установил взаимосвязь между силой резания и напряжениями при механической обработке материала [11]. Родионов В.Е. Разработал установку и получил зависимости усилия резания от перемещения ножа для процесса бесстружечного резания ножевыми рабочими органами [12].
Для исследования работы машин для резания ветвей нами были созданы имитационные модели обрезчика в Solidwokrs и ротора с гибкими рабочими органами в системах Unity и Matlab Simulink [13,14,15].
В настоящее время для экспериментального исследования параметров машин широко используются системы, основанные на тензометрии, однако наряду с ними все активнее внедряется цифровой интерфейс в измерительные средства такие как осциллографы и мультиметры. При исследовании процесса резания ветвей ротором, который приводится во вращение электродвигателем, силы сопротивления резания будут создавать крутящий момент на валу что приведёт к изменению потребляемой силы тока. Изменение силы тока можно измерить мультиметром, что позволит установить мощностные показатели процесса резания для исследуемых роторов.
Задачи исследования:
- проведение реверс-инжиниринга и ротора с жестко и шарнирно установленным лезвием;
- разработка принципа подключения измерительного оборудования.
- проведение измерение мощности резания для двух типов рабочих органов.
Материалы и методы.
Используя реверс-инжиниринг с помощью САПР Solidworks разработаем 3D модель роторов с жестко установленным и шарнирно-закрепленными лезвиями, оба ротора вращаются относительно оси О. Для всех деталей установим материал – простая углеродистая сталь. Рабочая зона составляет 0,26 и 0,15 м для ротора с жестким и шарнирно-закрепленными лезвиями соответственно.
Ротор с жестко установленным лезвием показан на рис. 1, а его 3D модель на рис. 2.
|
|
|
Рисунок 1. Общий вид ротора с жестко установленным лезвием |
Figure 1. General view of the rotor with a rigidly installed blade
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
|
|
|
Рисунок 2. Общий вид 3D модели ротора с жестко установленным лезвием |
Figure 2. General view of the 3D model of the rotor with a rigidly installed blade
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Ротор с шарнирно установленными лезвиями показан на рис. 3, а его 3D модель на рис. 4.
|
|
|
Рисунок 3. Общий вид ротора с шарнирно установленными лезвиями |
Figure 3. The general view of the rotor with the rotating blades
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
|
|
|
Рисунок 4. Общий вид 3D модели ротора с шарнирно установленными лезвиями |
Figure 4. General view of the 3D model of the rotor with with the rotating blades
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Основные геометрические и массовые характеристики роторов полученные в результате реверс-инжиниринга приведены в табл. 1 .
Таблица 1
Кинематические и динамические параметры роторов с жестким и шарнирно-сочлененными ножами полученные с помощью САПР
Table 1
Kinematic and dynamic parameters of rotors with rigid and articulated knives obtained using CAD
|
№ |
Параметр | Parameter |
Жесткий нож | fixed blade |
Шарнирно-сочлененный нож | articulated blade |
|
1 |
m, кг | kg |
0.45 |
0.33 |
|
2 |
Lоа, м | m |
0.155 |
|
|
3 |
Laв, м | m |
|
0.125 |
|
4 |
Ix, кг×мм2 | kg×mm2 |
[168, 6, 0] |
[415,0, 0] |
|
5 |
Iy, кг×мм2 | kg×mm2 |
[6, 4106, 0] |
[0,415, 0] |
|
6 |
Iz, кг×мм2 | kg×mm2 |
[0, 0, 4247] |
[0,0, 829] |
Источник: собственный результат авторов
Source: Authors' own result
Для получения мощностных показателей процесса резания ветвей роторами используем шунт, и мультиметр подключенный как показано на рисунке 5.
Питание 220 В подается на розетку 1, в качестве нагрузки выступает двигатель кустореза, подключенный вилкой 2, на шунте 3 происходит падение напряжения, которое измеряем мультиметром 4 и через usb разъём с помощью прилагаемого к мультиметру ПО записываем показания на компьютер.
Параметры используемого оборудования: электропривод кустореза с частотой вращения вала ротора 8000 об/мин, максимальной мощность 1000 Вт; мультиметр UNI-T 61E; шунт 75ШИП1-5-0.5, (5А 75мВ).
|
|
|
Рисунок 5. Принцип подключения измерительного оборудования |
Figure 5. The general view of the rotor with the rotating blades
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
Набор ветвей для резания с диаметром 1…3 см установим непосредственно в грунт (рис. 6), заглубив их на величину 10…20 см.
|
|
|
Рисунок 6. Набор ветвей для резания |
Figure 6. Set of branches for cutting
Источник: собственное фото авторов
Такой способ крепления максимально приближен к реальному произрастанию древесно-кустарниковой растительности.
Результаты и обсуждение.
Общий вид проводимого эксперимента показан на рис. 7. Из фото видно что показания с мультиметра поступают на компьютер, который их записывает. Непосредственно на фото можно видеть момент резания ветви и напряжение на шунте 43.12 мВ.
|
|
|
Рисунок 7. Измерение напряжение при резании ветвей |
Figure 7. Measurement voltage when cutting branches
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
Для определения мощности на основании измерения падения напряжения на шунте используем закон Ома
(1)
Момент резания ветвей ротором с жестко уставленным лезвием показан на рис.8а, а ротором с шарнирно установленными лезвиями на рис. 8б.
|
а) б) |
|
Рисунок 8. Резание ветвей: а – жесткое лезвие, б – шарнирно-сочленённый нож |
Figure 8. Cutting branches:
a - rigid blade, b - articulated knife
Источник: собственное фото авторов
Source: own photo of the authors
|
Записанные значения напряжения для процесса резания ветвей диаметром 12…20 мм были сведены в электронную таблицу Excel. Данные были обработаны, усреднены, каждое значение было пересчитано по формуле (1) и определена мощность резания, представленная на рисунках 9, 10.
|
|
|
Рисунок 9. Экспериментальная мощность резания ветвей диаметром 12…20 мм шарнирно-сочлененным лезвием Figure 9. Experimental cutting power of a branch with a diameter of 12…20 mm with an articulated blade Источник: собственный результат авторов Source: Authors' own result
Рисунок 10. Экспериментальная мощность резания ветви диаметром 12…20 мм жестко установленным лезвием на роторе Figure 10. Experimental power of cutting a branch with a diameter of 12…20 mm with a fixed blade on the rotor Источник: собственный результат авторов Source: Authors' own result
|
Из графиков следует что при начале вращения ротора происходит кратковременный всплеск мощности до значений 1800,1200 Вт для жесткого и шарнирно-сочлененного лезвия соответственно. Всплеск связан с преодолением инерции вращения рабочих органов и привода. Т.к. масса жесткого ножа больше то при прочих равных значениях привода, затраты энергии больше. Для поддержания частоты вращения на холостом ходу 8000 об/мин для ротора с шарнирно-сочлененным рабочим органом требуется 400 Вт, а при встрече с ветвями происходят соответствующие диаметрам срезаемых ветвей всплески на уровне 400…1200 Вт. При работе ротора с жестко установленным лезвием для поддержание его холостого хода на 8000 об/мин требуется 650 Вт, и за счет большей инерции при резании всплески меньше, чем у шарнирно-сочлененного рабочего органа 650…700 Вт.
Выводы.
1. Спроектированы с помощью САПР рабочие органы с шарнирно-сочлененными и жестко установленным на роторах лезвиями, определены их массовые 0,45, 0,33 кг и геометрические параметры ОА = 0,155 м АВ = 0,125м а также моменты инерции Ix, Iy, Iz.
2. Разработан принцип подключения измерительного оборудования мультиметр UNI-T 61E; шунт 75ШИП1-5-0.5 для измерения мощности резания ветвей.
3. Проведены экспериментальные исследования и установлены различия в мощностных показателях резания для двух типов рабочих органов. Ротор с шарнирно-сочлененными лезвиями при резании ветвей 12…20 мм потребляет 400…1200 Вт, а ротор с жестко установленным лезвием 650…700 Вт.
1. Li, B., Ma, H., Yu, X., Zeng, J., Guo, X., & Wen, B. (2019). Nonlinear vibration and dynamic stability analysis of rotor-blade system with nonlinear supports. Archive of Applied Mechanics. doi:10.1007/s00419-019-01509-0
2. Yu, K., Ma, H., Han, H., Zeng, J., Li, H., Li, X., … Wen, B. (2019). Second order multi-synchrosqueezing transform for rub-impact detection of rotor systems. Mechanism and Machine Theory, 140, 321–349. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2019.06.007
3. Yu, K., Fu, Q., Ma, H., Lin, T. R., & Li, X. (2020). Simulation data driven weakly supervised adversarial domain adaptation approach for intelligent cross-machine fault diagnosis. Structural Health Monitoring, 147592172098071. doi:10.1177/1475921720980718
4. Li, Y., Luo, Z., Wang, J., Ma, H., & Yang, D. (2021). Numerical and experimental analysis of the effect of eccentric phase difference in a rotor-bearing system with bolted-disk joint. Nonlinear Dynamics, 105(3), 2105–2132. doi:10.1007/s11071-021-06698-4
5. Liu, Y., Zhao, Y., Li, J., Lu, H., & Ma, H. (2019). Feature extraction method based on NOFRFs and its application in faulty rotor system with slight misalignment. Nonlinear Dynamics. doi:10.1007/s11071-019-05340-8
6. MA, X., MA, H., QIN, H., GUO, X., ZHAO, C., & YU, M. (2021). Nonlinear vibration response characteristics of a dual-rotor-bearing system with squeeze film damper. Chinese Journal of Aeronautics, 34(10), 128–147. doi:10.1016/j.cja.2021.01.013
7. Aghayari, J., Bab, S., Safarpour, P., & Rahi, A. (2021). A novel modal vibration reduction of a disk-blades of a turbine using nonlinear energy sinks on the disk. Mechanism and Machine Theory, 155, 104048. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2020.104048
8. Xiong, C., Huang, Z., Shi, H., Yang, R., Dai, X., & He, W. (2021). 3D Cutting Force Model of a Stinger PDC Cutter: Considering Confining Pressure and the Thermal Stress. Rock Mechanics and Rock Engineering, 54(9), 5001–5022. doi:10.1007/s00603-021-02494-z
9. Farrokh, E. (2021). Cutter change time and cutter consumption for rock TBMs. Tunnelling and Underground Space Technology, 114, 104000. doi:10.1016/j.tust.2021.104000
10. Liu, Y., Han, J., Zhao, S., Meng, Q., Shi, T., & Ma, H. (2019). Study on the Dynamic Problems of Double-Disk Rotor System Supported by Deep Groove Ball Bearing. Shock and Vibration, 2019, 1–12. doi:10.1155/2019/8120569
11. Марков, А. М. Методика экспериментально-аналитического определения силы резания при механической обработке / А. М. Марков, С. В. Гайст, А. М. Салман // Инновации в машиностроении : сборник трудов IX Международной научно-практической конференции, Барнаул, 24–26 октября 2018 года / Под редакцией А.М. Маркова, А.В. Балашова, М.В. Доц. – Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 2018. – С. 238-241
12. Родионов, В.Е. Установка для исследования усилия бесстружечного резания упакованных отходов лесозаготовок криволинейными режущими кромками / В. Е. Родионов, М. В. Дербин, В. Н. Удальцов [и др.] // Системы. Методы. Технологии. – 2018. – № 2(38). – С. 100-104. – DOI 10.18324/2077-5415-2018-2-100-104.
13. Бартенев, И.М. Имитационная модель обрезчика ветвей в САПР / И. М. Бартенев, Л. Д. Бухтояров, В. П. Попиков, А. В. Придворова // Лесотехнический журнал. – 2020. – Т. 10. – № 1(37). – С. 153-160. – DOI 10.34220/issn.2222-7962/2020.1/20.
14. Bukhtoyarov, L D. Movement simulation of flexible working body links i10n the Unity cross-platform development environment./ L. D. Bukhtoyarov, Maksimenkov A I, Lysych M N, Abramov V V // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Voronezh, 23 октября 2020 года. – Voronezh, 2020. – P. 012014. – DOI 10.1088/1755-1315/595/1/012014.
15. Bukhtoyarov, L. D. Simulation of the movement of hedge cutter links in the Simulink application of the Matlab package / L. D. Bukhtoyarov, M. V. Drapalyuk, A. V. Pridvorova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Voronezh, 09–10 сентября 2021 года. – Voronezh, 2021. – P. 12004. – DOI 10.1088/1755-1315/875/1/012004
