Assessment of the compacting effect of the roller on the soil combined cultivator

Alexey A. Zhalnin; Жалнин Алексей Александрович; Mikhail N. Chatkin; Чаткин Михаил Николаевич; Sergey E. Fedorov; Федоров Сергей Евгеньевич; Nikolai A. Zhalnin; Жалнин Николай Александрович; Alexey S. Knyazkov; Князьков Алексей Сергеевич

doi:10.55170/1997-3225-2024-9-2-44-51

Оценка уплотняющего воздействия катка на почву комбинированного культиватора

Авторы: Жалнин А.А.¹, Чаткин М.Н.¹, Федоров С.Е.¹, Жалнин Н.А.¹, Князьков А.С.¹
Учреждения:
1. Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева
Выпуск: Том 9, № 2 (2024)
Страницы: 44-51
Раздел: ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
URL: https://bulletin.ssaa.ru/1997-3225/article/view/633479
DOI: https://doi.org/10.55170/1997-3225-2024-9-2-44-51
ID: 633479

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Цель исследований – оценить конструктивные и кинематические параметры механизма регулирования рабочих органов комбинированного культиватора из условий функционирования, при котором обеспечивается необходимое воздействие на объект обработки – почву. Современные проблемы агропромышленного комплекса ставят перед учеными создание новых почвообрабатывающих машин на основе использования достижений в области информационно-коммутационных, геоинформационных и компьютерных технологий – способных повысить производительность, снизить энерго- и трудозатраты в получении сельскохозяйственной продукции. Существует настоятельная необходимость в разработке комбинированных культиваторов, способных за один проход сформировать семенное ложе в соответствии с агротехническими требованиями, а также с возможностью изменения технологических параметров в зависимости от состояния почвы и биологических особенностей возделываемой культуры. Нами предложена конструкция адаптивного комбинированного культиватора с механизмом регулирования жесткости подвески катка и определены теоретические зависимости, характеризующие его конструктивно-режимные параметры на основе положений классической механики и законов математики. Определено необходимое усилие пружинного механизма регулирования для обеспечения требуемого давления катка. Из условия равновесия катка с учетом воздействия сил и моментов со стороны почвы на каток определены его параметры, при которых обеспечивается его работоспособность. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в диапазоне рабочей глубины обработки и плотности почвы, показатель качества крошения почвы находится в пределах агротехнических требований и составляет 83…89%. Поэтому, для улучшения качества обработки, необходимо применять адаптивные комбинированные машины и агрегаты, способных подстраиваться под любые почвенные условия.

Ключевые слова

комбинированный культиватор, механизм регулирования, почва, каток

Полный текст

В настоящее время актуальным вопросом при обработке почвы является не только сохранение, но и повышение ее плодородия. Плотность сложения почвы непосредственно влияет на условия развития возделываемой культуры, качество и затраты энергии на механическую работу при ее рыхлении [1, 2]. Для обеспечения необходимого уровня перечисленных показателей следует подобрать вид механической обработки, конструктивное исполнение рабочих органов, последовательность и перечень одновременно выполняемых технологических операций одной машиной, состав машинно-тракторного агрегата и др. Таким образом, можно сделать вывод об избирательности такого агротехнического приема, как обработка почвы. Она должна выполняться с учетом типа почвы, ее сложения и возделываемой культуры. Однако даже в пределах одного поля меняются характеристики почвы, что учитывается в процессе ее подготовки под посев определенной культуры [3, 4].

Цель исследований – оценить конструктивные и кинематические параметры механизма регулирования рабочих органов комбинированного культиватора из условий функционирования, при котором обеспечивается необходимое воздействие на объект обработки – почву.

Задачи исследований – оценка влияния конструктивно-технологических параметров механизма регулирования рабочих органов адаптивного комбинированного культиватора и режимов его работы на основные показатели технологического процесса дифференцированной обработки почвы

Материалы и методы исследований. Проведенный литературный анализ конструктивных схем современных комбинированных машин сельскохозяйственного назначения показывает наличие в их конструкции кривошипно-коромысловых механизмов различного назначения [5, 6]. Нами предложен аналогичный механизм регулирования жесткости упругих стоек, звенья которого, воздействуя через пружину на двуплечий рычаг подвески катка, создают уплотняюще-рыхлящее действие на обрабатываемую почву (рис. 1). Для выявления перемещений, скоростей и ускорений кинематических пар, отдельных характерных точек звеньев и дальнейшего рассмотрения его динамики выполним кинематический анализ механизма.

Рис. 1. Кинематическая схема адаптивного комбинированного культиватора с величинами сил, действующими на механизм

Силовой анализ кривошипно-коромыслового механизма является одним из важных этапов их проектирования, поскольку силы, действующие на звенья механизма, необходимо знать для проведения проектных и проверочных расчетов. Для выполнения анонсированного кинематического и силового анализа построим схему механизма в масштабе $μ_{l} = 0,005 \frac{Н}{мм}$ .

В процессе работы почвообрабатывающий каток перекатывается по поверхности почвы под действием тягового усилия $F_{т}$ со стороны трактора. Перевод катка из транспортного в рабочее положение происходит за счет изменения длинны штока электроцилиндра $S_{1}$ , $S_{2}$ и соответственно, звена 6. Изменения потенциальной силы электроцилиндра создает момент сил $M_{n} (t)$ на звене 5, происходит деформация пружины с усилием $F_{у}$ , которое совместно с силой тяжести катка $G_{10}$ создают усилие воздействия катка на почву. При этом противодействующая этим силам является реакция $N (t),$ действующая со стороны почвы.

При движении катка по полю величина уплотняющего воздействия на поверхность почвы приложена к оси его вращения и определяется суммой действия силы пружины $F (y)$ через звено 9 подвески и составляющей силы $G_{10}$ , тяжести катка (рис. 1).

Из условия равновесия системы с учетом воздействия на каток сил и моментов со стороны почвы через подвеску и раму орудия определим параметры, при которых обеспечивается его работоспособность. Вычислим основные силы, действующие на механизм подвески катка. Сила тяжести катка создающее давление на почву определим по формуле:

$\vec{G_{10}} = m_{k} g$ , (1)

где $m_{k}$ – масса катка, Н; $g$ – ускорение свободного падения, м/с².

В кривошипно-коромысловом механизме усилие пружины заменим силами $F_{y}^{'}$ и $F_{y}$ , приложив в соответствующие точки на схеме механизма:

$F_{y} = F_{y}^{'}$ . (2)

В силовом расчете механизма, звено, регулирующее жесткость пружины, представим в виде цельного жесткого звена 6. Отделяем от механизма группу звеньев 9-10, а реакции в кинематических парах заменяем силовыми связями $\vec{R_{39}}$ и $\vec{R_{010}}$ .

Для звена 9 составим уравнение моментов относительно точки $F$ и определим $\vec{R_{39}^{t}}$ :

$\sum M_{F}^{(9)} = 0$ , (3)

$- \vec{R_{39}^{t}} \cdot l_{C F} + \vec{F_{y}} \cdot h_{y} + \vec{G_{9}} \cdot h_{9} = 0.$ (4)

$\vec{R_{39}^{t}} = \frac{\vec{F_{y}} \cdot h_{y} + \vec{G_{9}} \cdot h_{9}}{l_{C F}}$ . (5)

Векторное уравнение равновесия для всей группы запишется следующим образом:

$\vec{R_{39}^{n}} + \vec{R_{39}^{t}} + \vec{F_{y}} + \vec{G_{9}} + \vec{G_{10}} + \vec{R_{010}^{t}} + \vec{R_{010}^{n}} = 0$ . (6)

Решим уравнение графически, для чего построим многоугольник плана сил в масштабе $μ_{i} = 20 \frac{Н}{м м},$ замкнув его известными по направлению векторами $\vec{R_{39}^{n}}$ и $\vec{R_{010}^{n}}$ (рис. 2).

Рис. 2. Группа звеньев 9-10: а – силы, действующие на группу звеньев 9-10; б – план сил группы звеньев 9-10

Сумма реакций, действующих относительно оси вращения О₂ будет равна нулю, т.е.;

$\sum R = (\vec{R_{39}^{1}} + \vec{R_{39}^{2}} + \vec{R_{39}^{3}} + \vec{R_{010}^{n}}) \cdot μ_{i} = 0$ . (7)

Определим влияние силы реакции почвы. В процессе работы сила $N (t)$ постоянно меняется, вследствие чего приводит к нарушению равенства (7).

$N l \pm ∆ N (t) l_{C F} - G L - F_{y} h_{y} = M (t),$ (8)

$N l \pm ∆ N (t) l_{C F} = m_{k} G l_{C F} - F_{y} h_{y} = M (t),$ (9)

$= > N l \pm N (t) l_{C F} - 3 \cdot 9,8 \cdot 0,47 - F_{y} h_{y},$ (10)

где $M (t)$ – произведение сил на плечо (момент сил) $\pm Δ N (t),$ действующих на прутковый каток, кН/м.

Значение и направление силы $\pm Δ N (t),$ при движении катка с постоянной скоростью $V_{a}$ и воздействие на почву, определяет количество и место расположения в нем прутковых элементов. Изменение силы $\pm Δ N (t),$ в процессе работы ведет к колебаниям катка относительно точки С на угол ± φ.

Момент сопротивления перемещению катка определим по выражению:

$M_{c} (t) = K l_{C F} \frac{d_{φ}}{d_{t}} = K l_{C F} \dot{φ},$ (11)

где $K$ – коэффициент пропорциональности.

Изменение момента $M_{n} (t)$ со стороны потенциальной силы электроцилиндра и сопротивления перемещению катка $M_{c} (t)$ сопровождается возникновением возмущающего момента $M (t)$ , которое наряду с соответствующими моментами составляют правую часть дифференциального уравнения движения катка:

$\ddot{J} \ddot{φ} + K l_{C F} \dot{φ} + l_{C F} F_{y} φ = M_{n} (t) + M_{c} (t) + M (t) = ∆ N (t) l_{C F}$ . (12)

Уравнение равновесия системы (12), приводим к упрощенному виду преобразованием:

$\ddot{φ} + c \dot{φ} + ω_{c}^{2} φ = \frac{∆ N (t) l}{J},$ (13)

$\ddot{φ} + 2,707 \dot{φ} + 0,05 φ = \frac{N (t) l}{0,75}$ , (14)

где $c$ – коэффициент сопротивления перемещению катка, $c = \frac{K l_{C F}}{J} = 2,7;$

$ω_{c}^{2}$ – собственная частота колебаний катка, $ω_{c}^{2} = \frac{F_{y} l_{C F}}{J} = 0,05$ .

Полученное уравнение равновесия (14) было рассмотрено на физическую устойчивость путем преобразования в передаточную функцию для дальнейшего исследования. В упрощенной форме необходимое условие устойчивости линеаризованных систем автоматического регулирования формулируется для систем, записанных в переменных «вход-выход», причем оно применяется в одинаковой «редакции» как для замкнутых, так и для разомкнутых систем автоматического регулирования. Это условие доказывается с использованием характеристического полинома $D (S)$ – для замкнутых систем автоматического регулирования:

$D = \frac{N (t) l_{C F}}{(S^{2} + 2,71 S + 0,05) \cdot 0,75} = \frac{N (t) l_{C F}}{0,75 S^{2} + 2,03 S + 0,38}$ . (15)

Таким образом, характеристическое уравнение примет вид:

$D = 0,75 S^{2} + 2,03 S + 0,38.$ (16)

Разложим многочлен $D (S)$ на элементарные линейные сомножители:

$D (S) = a_{n} \cdot S^{n} + a_{n - 1} \cdot S^{n - 1} + \dots + a_{1} \cdot S + a_{0} .$ (17)

Так как, $a_{n} = 0,75 > 0$ и что все полюса $s_{j}$ расположены в левой полуплоскости получим:

$S_{1} = - |a_{1}|,$ (18)

$S_{2} = - |a_{2}| + i \cdot β_{2},$ (19)

$S_{3} = - |a_{2}| - i \cdot β_{2} .$ (20)

Тогда:

$D (S) = a_{n} · (S - S_{1}) · (S - S_{2}) · \dots (S - S_{n}),$ (21)

где: $S_{1} = - 0,02, S_{2} = - 2,69$ – полюса передаточной функции замкнутой системы автоматического регулирования.

Подставив значения $S_{1}, S_{2}$ в выражение 21 получим:

$0,75 S^{2} + 2,033 S + 0,04$ . (22)

В выражении (22) мы имеем только положительные коэффициенты полинома $D (S)$ , поэтому можно утверждать, что получено необходимое условие устойчивости рассматриваемой линейной системы автоматического регулирования и анализируемого механизма регулирования давления катка на почву.

Результаты исследований. Для подтверждения результатов теоретических исследований и установления степени воздействия конструктивно-технологических параметров адаптивного комбинированного культиватора и режимов его работы на основные показатели технологического процесса обработки почвы, были проведены экспериментальные исследования.

Экспериментальные исследования проводились в условиях почвенного канала кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин им. профессора А.И. Лещанкина, института механики и энергетики, МГУ им. Н.П. Огарёва (рис. 3).

Рис. 3. Общий вид лабораторной установки: 1 – приводная тележка; 2 – измерительно - вычислительный комплекс; 3 – тензозвено;4- адаптивный комбинированный культиватор

С учетом условий эксплуатации комбинированного культиватора, агротехнических требований к поверхностной обработке почвы и рассмотренных теоретических предпосылок по определению основных параметров рабочих органов, разработан макетный образец культиватора для проведения исследований в условиях почвенного канала. Габаритные размеры макетного образца культиватора: длина – 1400 мм, рабочая ширина захвата – 475 мм; диаметр катка – 225 мм; количество прутков – 8; диаметр прутков – 8 мм.

Геометрические параметры подвески катка и его диаметр, при которых обеспечивается работоспособность культиватора, определены в результате расчета [7]. При этом силовые характеристики соответствуют условиям функционирования и расчетным параметрам. Указанные параметры установлены из условия устойчивости хода культиватора в продольно-вертикальной плоскости с учетом соотношения действующих на каток сил, моментов сил и реакций в точке их приложения.

По известной методике планирования экспериментальных исследований с учетом приведенных теоретических предпосылок установлены параметры оптимизации и факторы, определяющие условия функционирования комбинированного культиватора для обеспечения качества предпосевной обработки почвы при минимуме энергозатрат [8, 9]. В таблице 1 приведены факторы и интервалы их варьирования. Критерием оптимизации является крошение почвы (К).

Таблица 1

Факторы и интервалы их варьирования в действительных значениях

№ п/п	Факторы	Единица измерения	Уровни			Интервал
№ п/п	Факторы	Единица измерения	Нижний –1	Основной 0	Верхний +1	Интервал
1	Глубина, h (x₁₎	м	0,04	0,08	0,12	0,04
2	Давление катка, Q( x₂₎	Н/м	40	50	60	10
4	Плотность почвы, ρ (x₃)	г/см³	1,27	1,29	1,32	0,025

Сочетание факторов и полученные результаты опытов при исследовании влияния работы адаптивного комбинированного культиватора на качество крошения почвы приставлены в таблице 2.

Таблица 2

Матрица планирования полно факторного эксперимента и результаты опытов

Номер опыта	Факторы				Комбинации факторов				Значение параметра оптимизации (крошение почвы, %)
Номер опыта	х₀	х₁	х₂	х₃	х₁х₂	х₁х₃	х₂х₃	х₁ х₂ х₃	Y₁	Y₂	Y₃	Y₄
1	+	-	-	-	+	+	+	-	85,2	85,1	85,6	85,4
2	+	+	-	-	-	-	+	+	83,0	83,5	83,1	83,3
3	+	-	+	-	-	+	-	+	89,3	89,6	89,4	89,7
4	+	+	+	-	+	-	-	-	86,1	86,3	86,5	86,0
5	+	-	-	+	+	-	-	+	84,1	84,4	84,6	84,7
6	+	+	-	+	-	+	-	-	82,0	82,2	82,5	82,4
7	+	-	+	+	-	-	+	-	87,3	87,2	87,4	87,5
8	+	+	+	+	+	+	+	+	88,1	88,5	88,4	88,2

После проведения соответствующих экспериментов, расчета и исключения незначимых коэффициентов получено уравнение регрессии:

$K = 82,25 - 23,43 h + 0,22 Q - 4,5 ρ .$ (23)

На рисунке 4 приведены графики зависимости крошения почвы от давления катка и плотности почвы при глубине обработки 0,04 м и 0,12 м, полученные при многофакторном эксперименте. Скорость движения адаптивного культиватора была принята 3 м/с (10,8 км/ч) и оставалась не изменяемой.

Рис. 4. График зависимости крошения почвы от давления катка и плотности почвы при глубине обработки: а – 0,12 м; б – 0,04 м

Исходя из агротехнических требований, в диапазоне плотности почвы 1,27…1,32 г/см³, было определено максимально допустимое давления катка на почву Q= 60 Н/м, при ее влажности 18,4 %.

Из анализа зависимости «крошение почвы – давление катка и плотность почвы» (рис. 4) видно, что с увеличение плотности почвы и глубины обработки крошение почвы в полной мере удовлетворяет агротехническим требованиям.

Заключение. Резюмируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что полученные конструктивные и кинематические параметры механизма регулирования рабочих органов комбинированного культиватора обеспечили в заданных условиях функционирования требуемые агротехнические показатели работы. Конструкция комбинированного культиватора позволит на сложных участках поля при наличии крупных почвенных агрегатов в адаптивном режиме автоматического регулирования жесткости стоек и пружины подвески катка получить эффективные показатели работы.