CC BY
23
УДК 629.3.014.2:621.3
ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МТА С УПРУГО ЗАКРЕПЛЕННЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ
PROBLEMATIC ISSUES OF IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF MTA WITH ELASTIC FIXED WORKING BODIES
Д.С. Гапич1, доктор технических наук, доцент В.А. Эвиев2, доктор технических наук, профессор Р.А. Косульников1 кандидат технических наук, доцент С.А. Чумаков1, магистрант
D.S. Gapich1, V.A. Eviev2, R.A. Kosulnikov1, S.A.Chumakov1
1Волгоградский государственный аграрный университет
2Калмыцкий Государственный университет имени Б.Б. Городовикова, г. Элиста
1 Volgograd State Agrarian University, Volgograd 2Kalmyk State University named after B.B. Gorodovikov, Elista
Большинство почвообрабатывающих машин имеют в своей конструкции упругий элемент в креплении рабочего органа. Функциональное назначение такой конструкции, создание при определённых условиях «вибрирующего» относительно движения рабочего органа, что обеспечивает снижение его тягового сопротивления. Анализ таких условий, их математическое описание и разработка рекомендаций по настройке системы «упруго-закреплённый рабочий орган - почва» является на сегодняшний день важной и актуальной задачей. Вибрирующий эффект рабочего органа возникает за счет динамических особенностей процесса взаимодействия рабочего органа с почвой. Определяется он не только конструкторскими параметрами крепления рабочего органа, но и физико-механическими характеристиками самой среды. Интегральное действие физико-механических характеристик почвы на рабочий орган в работе предложено определять по реализациям тягового сопротивления рабочего органа. Анализ их амплитудно-частотных характеристик позволил определить не только величину генерируемого виброускорения рабочего органа, но и установить влияние агрегатного состава почвы на возможность возникновения устойчивых его колебаний. В работе показано, что при содержании глины в почве от 44 % возможна генерация виброускорений рабочего органа до значений, способствующих снижению прочностных характеристик почвы, а следовательно, и тягового сопротивления всего орудия; при содержании в почве песка более 63 % генерация виброускорений рабочего органа - невозможна.
Most tillers have in their design an elastic element in the fastening of the working element. The functional purpose of this design, the creation under certain conditions of "vibrating" relative to the movement of the working element, which provides a reduction in its traction resistance. Analysis of such conditions, their mathematical description and development of recommendations for setting up the system "resiliency fixed working body - soil" is today an important and urgent task. The vibrating effect of the working organ arises from the dynamic features of the process of interaction of the working organ with the soil. It is determined not only by the design parameters of fastening the working element, but also by the physicome-chanical characteristics of the medium itself. The integral effect of the physical and mechanical characteristics of the soil on the working body in the work is proposed to be determined by the implementation of traction resistance of the working organ. An analysis of their amplitude-frequency characteristics made it possible to determine not only the magnitude of the vibrational acceleration of the working organ generated, but also to determine the effect of the aggregate composition of the soil on the possibility of the appearance of stable oscillations of it. It is shown that if the clay content in the soil is from 44%, it is possible to generate vibrations of the working organ to values that contribute to a decrease in the strength characteristics of the soil, and, consequently, the traction resistance of the entire implement; if the content of sand in the soil is more than 63%, the generation of vibrations of the working member is impossible.
Ключевые слова: культиватор, рабочий орган, лапа культиватора, почвообра-ботка, упругий элемент, почвенный пласт, тяговое сопротивление, виброускорение.
Key words: cultivator, working element, cultivator's paw, soil cultivation, elastic element, soil layer, traction resistance, vibration acceleration.
Введение. Большинство почвообрабатывающих машин, поступающих на вооружение производителей сельскохозяйственной продукции, имеют в своей конструкции упругий элемент в креплении рабочего органа. Функциональное назначение такой конструкции, как следует из технической документации, создание при определённых условиях «вибрирующего» относительно движения рабочего органа, что должно обеспечивать снижение тягового сопротивления рабочего органа и почвообрабатывающей машины в целом [3, 9, 11, 7, 8].
Большинство ученых, работающих в данной области, действительно отмечают возможность возникновения устойчивых, незатухающих колебаний рабочего органа в достаточно широком диапазоне частот, однако все они сходятся в одном мнении: виброэффект рабочего органа может возникать строго при определённых условиях [5, 10].
Анализ таких условий, их математическое описание, разработка рекомендаций по настройке системы «упруго-закреплённый рабочий орган - почва» является на сегодняшний день важной и актуальной задачей.
Материалы и методы. Свойства почвы, являющейся трехфазной дисперсной средой, можно разделить на две категории: физические и механические. Физические свойства почвы определятся её структурным состоянием, а механические - её поведением при создании напряжённого состояния в результате штамповых и сдвиговых испытаний [1].
Методика определения физических свойств почвы базируется на теории разрушения материалов Кулона-Мора. В соответствии с ней, разрушение материала в точке происходит в результате сдвига при определённом соотношении касательных щ и нормальных а напряжений, выражаемом уравнением:
Tk = с + а tg фо, (1)
где ^- допустимое тангенциальное напряжение в почве; с - коэффициент сцепления почвы; а -нормальное давление на поверхность среза; tg ф0- угол внутреннего трения почвы.
Графическая интерпретация данного выражения показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Зависимость между касательным напряжением и нормальным давлением по поверхности среза почвенного образца: 1 - при статическом деформаторе;
2 - при вибрирующем деформаторе
Анализ экспериментальных данных показывает, что снижение касательного напряжения при разрушении почвы может быть достигнуто за счет уменьшения угла внутреннего трения tg ф почвы, который снижается при воздействии на почвенный пласт вибрирующим деформатором (рисунок 1). Более наглядно снижение угла внутреннего трения почвы представлено графической зависимостью на рисунке 2.
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (49} 2018
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 2 - Экспериментальная зависимость коэффициента внутреннего трения почвы
от виброускорения деформатора
Данную зависимость, построенную в относительных единицах, можно считать общим свойством снижения тангенциальной несущей способности почв при изменении режимов нагружения. Снижение сопротивления почвы разрушению, вызывает снижение сопротивления рабочих органов, а, следовательно, и всего крюкового усилия трактора [2]. Следовательно, возникает задача: обеспечить устойчивое колебание рабочего органа. Достигается это двумя способами: первый способ основан на принудительной вибрации рабочего органа, за счет подведения источника вибрации из вне; второй способ основан на генерации виброускорений рабочего органа за счет динамических особенностей процесса разрушения почвенного пласта [5, 4].
Результаты. Рассмотрим возможность использования второго способа. Для этого необходимо оценить генерирующие способности процесса разрушения почвенного пласта, обусловленного взаимодействием рабочего органа с почвой. Интегральное действие физических и механических свойств почвы проявляется в формируемом при её обработке рабочим органом тяговым сопротивлением. В этом смысле тяговое сопротивление является не только источником нагружения двигателя трактора, но и обобщённой характеристикой свойств почвы.
Тогда можно утверждать, что оценку генерирующих свойств почвы можно определять только по одному показателю - горизонтальной составляющей тягового сопротивления. В общем случае, тяговое сопротивление рабочего органа можно представить как суммарное действие постоянных и динамической составляющих [1] рисунок 3.
J ъ
Рисунок 3 - Составляющие тягового сопротивления двухгранного клина: Rзx - сопротивление проникновению лезвия клина в почву; RFX - давление пласта почвы на
клин; - сопротивление, обусловленное передвижением пласта; Rgx - сопротивление почвы деформации под действием рабочей поверхностью клина; Рх тах - максимальная сила сопротивления в горизонтальном направлении действующая на двугранный клин
В работе [6] показано, что ускорение рабочего органа, генерируемое процессом разрушения почвы, можно оценить выражением:
а = ^КР Я2, (2)
с
где Аркр - амплитуда колебаний тягового сопротивления рабочего органа, Н; с - жесткость упругого элемента в креплении рабочего органа, Н/м; X - частота возмущающей силы со стороны почвы на рабочий орган, с"1.
Амплитудно-частотные характеристики процесса оцениваются по спектральной плотности тягового сопротивления рабочего органа, получаемой в результате обработки экспериментальных осциллограмм.
Численные значения этих характеристик полностью определяются именно физическими свойствами почвы, наиболее значимым из которых является структурное состояние почвы. Остальные характеристики, такие как липкость, влажность и т.д. рассматривались как постоянные в заданных условиях нагружения почвенного пласта.
Можно предположить, что амплитуда и частота динамической составляющей тягового сопротивления будет определяться соответствующим видом почв. Чем больше в почве процентного содержания глины, тем больший удельный вес занимает динамическая составляющая в общем тяговом сопротивлении рабочего органа. На песчаных почвах она может и не наблюдаться.
Обсуждение. Для проверки этого утверждения и оценки генерирующих возможностей различных почвенных фонов были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальная часть выполнялась в Волгоградской области, почвы которой разделяются на две зоны, внутри которых выделяют пять почвенных подзон.
Каждая зона, в зависимости от процентного содержания физической глины и физического песка, почвы подразделяется на следующие типы (рисунок 4).
Зона возможного возникновения виброускорений
Содержание физического песка (частицы >0,01мм) в почве,%
Содержание физической глины (частицы <0,01 мм) в почве, %
Рисунок 4 - Классификация почв по структурному составу (классификатор Н.А. Качинского)
На рисунках 5 и 6 показаны экспериментальные спектральные плотности тяговых сопротивлений рабочего органа, полученные на четырёх различных типах почв: тяжелосуглинистая, среднесуглинистая, легкосуглинистая и супесчаная.
ИЗВЕСТИЯ'
№ 1 (49), 2018
260 240 220 200 180 160 140 120 ЮО 80 60 40 20 О
1
2
Л Гц
2,5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
Рисунок 5 - Спектральные плотности тягового сопротивления
1 - среднесуглинистая; 2 - тяжелосуглинистая
Гц
2 4 6 8 10
Рисунок 6 - Спектральные плотности: 1 - легкосуглинистая; 2 - супесчаная
Используя эти экспериментальные данные, были получены численные значения амплитуд и частот наиболее энергетических частей спектра, что позволило оценить значения виброускорения рабочего органа генерируемое процессом разрушения почвенного пласта:
тсг
Рк
атсг _ А' V
g
алсг
Х2тсг_500 ■ 162 = 3,02 ,
g
167 ■ 9,8
лсг
Ар I2
кр Ллс
250 ■ 1
2
g
с g 85 ■ 9,8
асрсг Асррсг 1 кр }2 Асрсг
g асп = с Асрп 1 кр g ^СП = 1
g с g
350 ■ 7,5
2
211 ■ 9,8
= 3,6,
= 0 05, СП = КР СП =
650 ■ 1,3 85 ■ 9,8
2
= 0,01
Значение величины жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа определилось из условия возникновения резонанса в системе, как это представлено в работе [5].
с
Заключение. Анализ полученных значений ускорений рабочего органа позволяет утверждать: чем выше процентное содержание глины в почве, тем выше её генерирующие возможности; генерация рабочего органа до значений виброускорений, соответствующих началу снижения tg угла внутреннего трения почвы, возможно при содержании глины в почве от 44 %, что соответствует среднесуглинистому типу почвы; на почвах с содержанием песка свыше 63 %, генерация виброускорений рабочего органа за счет динамических особенностей процесса разрушения почвенного пласта до значений, соответствующих снижению угла внутреннего трения почвы - невозможна.
Для таких почв генерация рабочего органа должна осуществляться принудительно, за счет дополнительного генератора вибраций. Оценку эффективности такого способа необходимо проводить с учетом детального анализа мощностного баланса сил, затрачиваемых на принудительную вибрацию и сил сопротивления движению рабочего органа в почве.
Библиографический список
1. Гапич, Д.С. Фурье-анализ экспериментальных осциллограмм тягового сопротивления рабочего органа культиваторного МТА [Текст] / Д.С. Гапич, Е.В. Ширяева, О.А. Денисова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 3 (39). - С. 151-154.
2. Гапич, Д.С. Энергетические и качественные показатели работы культиваторного МТА в режиме автоколебаний рабочих органов [Текст] / Д.С. Гапич, С.Д. Фомин, О.А. Денисова // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2015. - № 4 (26), Т. 1. - С. 17-20.
3. Денисова, О.А. Качественные показатели работы культиваторного МТА с упругим креплением рабочих органов [Текст] / О.А. Денисова // Научные основы стратегии развития АПК и сельских территорий в условиях ВТО: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ВолГАУ. - Волгоград, 2014. -С. 23-28.
4. Денисова, О.А. Проблемы использования режима автоколебаний рабочих органов культиваторного МТА [Текст]/ О.А. Денисова // Интеграция науки и производства - стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Победы в Сталинградской битве. - Волгоград, 2013. - С. 93-97.
5. Кузнецов, Н.Г. Оптимизация жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа культиватора BOURGAULT 8810 [Текст] / Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, Е.А. Назаров // Научное обозрение. - 2010. - №6. - С. 89-93.
6. Кузнецов, Н.Г. О проблемах использования сельскохозяйственных машин с упругим креплением рабочих органов [Текст]/ Н.Г. Кузнецов, Д.С. Гапич, Е.А. Назаров // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2010. - №1(17). - С. 132-135.
7. Основы повышения энергоэффективности технологических процессов и технических средств обработки почвы [Текст]/ В.А. Эвиев, Н.И. Джабборов, А.В. Добринов, Д.С. Федькин. - Элиста, 2016.
8. Подпружиненный лемех картофелеуборочной машины [Текст]/ М.Б. Угланов, О.П. Иванкина, Н.М. Воронкин, А.А. Чхетиани // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства: сборник научных трудов. - Рязань : Изд-во ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии, 2013. - С. 159-163.
9. Уртаев, Т.А. Исследование влияния вынужденных колебаний рабочего органа секции культиватора с автоматическим устройством поддержания заданной глубины обработки на качество работы [Текст]/ Т.А. Уртаев, А.Б. Кудзаев // Известия Горского государственного аграрного университета. - 2013. - Т. 50. № 3. - С. 202-208.
10. Уртаев, Т.А. К расчету жесткости многофункциональной культиваторной секции при атмосферном давлении в пневмокамере [Текст]/ Т.А. Уртаев, А.Б. Кудзаев // Известия Горского государственного аграрного университета. - 2013. - Т. 50. № 1. - С. 193-198.
11. Уртаев, Т.А. К вопросу энергетической оценки образца пропашного культиватора с самонастраивающимися секциями в сравнении с базовым вариантом [Текст]/ Т.А. Уртаев, Э.К. Качмазова // Достижения науки - сельскому хозяйству: материалы региональной научно-практической конференции. - 2016. - С. 185-189.
Reference
1. Gapich, D. S. Fur'e-analiz jeksperimental'nyh oscillogramm tyagovogo soprotivleniya rabochego organa kul'tivatornogo MTA [Tekst] / D. S. Gapich, E. V. Shiryaeva, O. A. Denisova // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obra-zovanie. - 2015. - № 3 (39). - S. 151-154.
2. Gapich, D. S. Jenergeticheskie i kachestvennye pokazateli raboty kul'tiva-tornogo MTA v rezhime avtokolebanij rabochih organov [Tekst] / D. S. Gapich, S. D. Fomin, O. A. Denisova // Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta MAMI. - 2015. - № 4 (26), T. 1. - S. 17-20.
3. Denisova, O. A. Kachestvennye pokazateli raboty kul'tivatornogo MTA s uprugim krepleniem rabochih organov [Tekst] / O. A. Denisova // Nauchnye osnovy strategii razvitiya APK i sel'skih territorij v usloviyah VTO: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyaschjonnoj 70-letiyu obrazovaniya VolGAU. - Volgograd, 2014. - S. 23-28.
4. Denisova, O. A. Problemy ispol'zovaniya rezhima avtokolebanij rabochih organov kul'ti-vatornogo MTA [Tekst]/ O. A. Denisova // Integraciya nauki i proizvodstva - strategiya ustojchivogo razvitiya APK Rossii v VTO: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyaschjonnoj 70-letiyu Pobedy v Stalingradskoj bitve. - Volgograd, 2013. - S. 93-97.
5. Kuznecov, N. G. Optimizaciya zhestkosti uprugogo jelementa v kreplenii rabochego organa kul'tivatora BOURGAULT 8810 [Tekst] / N. G. Kuznecov, D. S. Gapich, E. A. Nazarov // Nauchnoe obozrenie. - 2010. - №6. - S. 89-93.
6. Kuznecov, N. G. O problemah ispol'zovaniya sel'skohozyajstvennyh mashin s uprugim krepleniem rabochih organov [Tekst]/ N. G. Kuznecov, D. S. Gapich, E. A. Nazarov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -2010. - №1(17). - S. 132-135.
7. Osnovy povysheniya jenergo]ffektivnosti tehnologicheskih processov i tehnicheskih sredstv obrabotki pochvy [Tekst]/ V. A. Jeviev, N. I. Dzhabborov, A. V. Dobrinov, D. S. Fed'kin. -}lista, 2016. - S.
8. Podpruzhinennyj lemeh kartofeleuborochnoj mashiny [Tekst]/ M. B. Uglanov, O. P. Ivankina, N. M. Voronkin, A. A. Chhetiani // Problemy mehanizacii agrohimicheskogo obsluzhivani-ya sel'skogo hozyajstva: sbornik nauchnyh trudov. - Ryazan' : Izd-vo GNU VNIMS Rossel'hozakade-mii, 2013. - S. 159-163.
9. Urtaev, T. A. Issledovanie vliyaniya vynuzhdennyh kolebanij rabochego organa sekcii kul'tivatora s avtomaticheskim ustrojstvom podderzhaniya zadannoj glu-biny obrabotki na kachestvo raboty [Tekst]/ T. A. Urtaev, A. B. Kudzaev // Izvestiya Gorskogo gosudarstvennogo agrarnogo uni-versiteta. - 2013. - T. 50. № 3. - S. 202-208.
10. Urtaev, T. A. K raschetu zhestkosti mnogofunkcional'noj kul'tivatornoj sekcii pri at-mosfernom davlenii v pnevmokamere [Tekst]/ T. A. Urtaev, A. B. Kudzaev // Izvestiya Gorskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - T. 50. № 1. - S. 193-198.
11. Urtaev, T. A. K voprosu ]nergeticheskoj ocenki obrazca propashnogo kul'tivatora s samonastraivayuschimisya sekciyami v sravnenii s bazovym variantom [Tekst]/ T. A. Urtaev, }. K. Kachmazova // Dostizheniya nauki - sel'skomu hozyajstvu: materialy regional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii. - GOROD, 2016. - S. 185-189.
E-mail: [email protected]
