Сельское хозяйство/ 2. Механизация сельского хазяйства

Магістрант Кременчуцький М.В.

Дніпропетровський державний аграрний університет, Україна

РОЗРАХУНКОВА МОДЕЛЬ АКТИВНОГО ВІБРОКОПАЧА СТОЛОВИХ КОРЕНЕПЛОДІВ

Особливість вирощування столових коренеплодів полягає в тому, що при доволі великих обсягах виробництва їх в основному вирощують на не великих ділянках і по декілька видів в одному господарстві. Безумовно, в промислових умовах, доцільно використовувати складну техніку, але таку, що забезпечує високі показники якості роботи: повноту збирання, продуктивність, надійність. Але різниця механіко-технологічних властивостей та розмірних характеристик коренеплодів, ускладнює створення універсальної машини для їх збирання, що безумовно відбивається на її вартості. Проте велика кількість коренеплодів вирощується саме на малих ділянках, в тому числі і присадибних, що виключає використання такої техніки. Тому постає проблема створення універсального копача, що можна використовувати на підкопуванні різних видів коренеплодів.

Конструкція вібраційного викопуючого робочого органу, побудована за принципом, за яким коливання його викопуючих лемешів здійснюються у повздовжньо-вертикальній площині з амплітудою і частотою, що можуть регулюватись у широких межах. Це дає можливість використовувати дані вібраційні викопуючи робочі органи на різних типах ґрунтів, які мають на момент збирання різні вологість і твердість

При розробці математичної моделі процесу підкопування коренеплодів в якості основної прийнята наступна робоча гіпотеза. Винесення коренеплоду на денну поверхню відбувається шляхом його спливання у вібруючому середовищі за рахунок різниці в геометричній формі та розмірах у порівнянні з ґрунтовими грудками, що його оточують. Таким чином, коренеплід повинен потрапити у замкнене вібруюче середовище. В цьому полягає принципова відміна запропонованого нами копача V- подібної форми і лемішного, бо останній вимагає контакту з коренеплодом.

Проведені нами попередні дослідження [4] показали, що на якість підкопування найбільше впливає співвідношення поступової і кутової швидкостей копача, амплітуда та форма коливання. Було досліджено ряд конструктивних схем (рис.1.).

Копач за схемою (рис.1,а) виконує кругові коливання. Конструкція є базовою і достатньо відпрацьована у лабораторних умовах. Дослідження показали, що кругова форма коливань інтенсифікує розшарування вирізаного шару грунту. Проте, коренеплід не встигає бути винесеним на денну поверхню тому, що робочий орган має малі розміри і час дії коливань не достатній

Копач за схемою (рис.1,b) виконує так звані «підкопуючи» коливання, що нагадують роботу звичайної лопати. Форма коливань та особливо їх напрямок сприяють більш інтенсивному вилученню кореня. Проте конструкція має суттєвий недолік – наявність компенсуючого пружного елемента 3, який виконує роль шарніра. Виконати його достатньо надійним складно і це значно зменшує надійність конструкції.

Копач за схемою (рис.1,с) завдяки пружному елементу 3 теж виконує «підкопуючи» коливання, але меншої інтенсивності. В якості недоліку треба відмітити також той факт, що велика частка енергії витрачається не раціонально на деформацію пружного елемента 3.

Копач за схемою (рис.1,d) працює у режимі автоколивань. Конструкція його досить проста, проте хороші якісні показники підкопування він показує на відносно великих швидкостях (до 4,0 м/с), що неприйнятно по іншим показникам роботи.

Таким чином, як показав аналіз, копач, що виконаний за схемою (рис.1с.) найбільш перспективний до подальших досліджень.

Дослідження показали, що коливання мають активну та пасивну ділянки, тобто ділянки робочого та не робочого ходів. Зміною співвідношення цих ходів можна впливати на частоту, амплітуду та форму коливань в межах ділянок. Якщо, довжину пружного елемента 3 розглядати як довжину коромисла кривошипно-шатунного механізму, то саме цим параметром можна впливати на означене співвідношення.

У разі виконання коромисла з пружного матеріалу, його довжина, а разом з тим і , форма коливань , будуть залежати від діючих на конструкцію сил. Враховуючи, що сили носять циклічний характер, форма коливань буде змінюватись в межах одного циклу (періоду).

Для визначення діючих сил на знаряддя даної форми (у пасивному варіанті) існує добре відпрацьована методика проф. А.М.Панченко [6,7]. Проте, вона має особливість, яка не дозволяє її використовувати в нашому випадку. Діло в тому, тяговий опір визначається усереднено для всього робочого органа в цілому без розподілу його на складові. Це не дозволяє визначити сумарний обертаючий момент, який потрібен для визначення пружної довжини коромисла.

Виконаємо розподіл діючих сил по периметру знаряддя (рис.2.).

Сила, що діє на корпус у повздовжно-вертикальній площині має наступні складові:

F_СК(Г) - горизонтальна складова опору сколу грунту; F_ЗАТ – додатковий опір від затуплення леза леміша; P_Е – горизонтальна складова сили тиску призми грунту на долото; F_ТР(Г) – горизонтальна складова сили тертя гранта по долоту; F_С – горизонтальна складова сили тиску та тертя на бокові стояки; F_V – швидкісна складова опору за теорією Ю.А.Вєтрова.

Наведений розподіл сил позволяє деталізувати навантаження, визначити діючи моменти і на сам кінець визначити стискаючу силу F_СТ. Останнє надає нам змогу визначити пружність та довжину пружного елементу 3 для роботи в наперед обумовленому діапазоні ґрунтових умов та форми коренеплоду.

З розрахункової схеми

F_СТ·L = (F_СК(Г) +F_ЗАТ)·Н + (P_Е + F_ТР(Г))·(Н-а₁)+ F_V·(Н – 0,5а) + F_С·[H – 0,5(a-a₂)]

(1)

Проаналізуємо дію складових рівняння (1).

При визначенні всіх сил опору обов'язково враховуються коефіцієнти зовнішнього та внутрішнього тертя, які в умовах вібруючого середовища будуть відрізнятись від звичайних умов. По-друге, враховуючи малу амплітуду коливань та велику інерційність системи, з достатньою для розрахунків точністю можна вважати, що складові P_Е, F_ТР(Г), F_V,F_С будуть постійними для робочого та неробочого циклу коливання. Це означає, що на зміну довжини коромисла будуть впливати тільки сили, доведені до носка леміша. Тоді (1) можна записати у наступному вигляді

F_СТ·L = (F_СК(Г) +F_ЗАТ)·Н, (2)

або

F_СТ = (F_СК(Г) +F_ЗАТ) (3)

Таким чином, задача полягає у аналітичному визначенні саме складових F_СК(Г) +F_ЗАТ.

В процесі робочого руху від корпусу розповсюджуються лінії зколу у повздовжно-вертикальній (під кутом 90⁰+φ₂) до поверхні долота) та поперечно-вертикальній (під кутом φ₂ до вертикалі) площинах [6,7].

Ці лінії формують зколювану призму грунту, яка являє собою перевернутий конус. Сила, що витрачається на відокремлення призми дорівнює

F_CK = С_пит· F_Σ , (4)

де С_пит – питоме зчеплення часток грунту;

F_Σ – площа поверхні, що утворилася в результаті зколу.

Питоме зчеплення часток грунту визначається за відомою методикою [5] за допомогою приладу ДорНДІ. Для визначення площі поверхні, що утворилася в результаті cколу розглянемо розрахункову схему (рис.3.).

З достатньою для практичних цілей точністю можна вважати, що в основі конусу лежить еліпс з на півосями а_ск та b_ск .

а_ск = a·tg(α_р+φ₂) (5)

b_ск = a·tg φ₂, (6)

де а – глибина робочого ходу копача; α – кут атаки долота; φ₂ – кут внутрішнього тертя грунту

З точки зору зменшення енерговитрат вигідно, щоб бокові стояки рухались у розпушеному грунті, тобто не витрачали енергії на підрізання бокової стінки борозни. Тому прийнято β< φ₂. Таким чином, у формуванні призми бере участь тільки долото, що і відображено на рис.4.

Помістимо центр координат вертикально над центром леза леміша і спрямуємо вісі як показано на рисунку. Для визначення площі поверхні, що утворилася, скористаємось методом чисельного інтегрування, тобто обчис-лимо площу елементарної ділянки FDD₁ та проінтегруємо по параметру ε.

Для нескінченно малого інтервалу збільшення кута ε довжина ділянки DD₁

Δ= R_i· dε (7)

Тоді, площа елементарної ділянки FDD₁

F_i = L_i·Δ (8)

Остаточно, площа поверхні призми

F_Σ = 2·F_i·dε = 2·= , (9)

де L_i та R_i – відповідно миттєві значення довжини утворюючої конусу (FD) і радіусу (OD), що відповідають величині кута ε.

R_i = = =

= a· (10)

Довжина утворюючої дорівнює миттєвому значенню FD

L_i = =

= a· (11)

Підставивши значення (10) та (11) в рівняння (9) отримуємо значення площі утворюваної поверхні.

Остаточно сила, яка витрачається на відокремлення шару грунту

F_ск =2· а² ·С_пит·

··dε, (12)

її горизонтальна складова

F_ск(Г) = F_ск·sin(α_P + φ₂) (13)

В разі затуплення затуплення леза леміша, отримане значення F_ск(Г) за рекомендацією [7] треба збільшити на величину

Р_ЗАТ = K'·(Z + tg(φ₁)·X)·b_Л, (14)

де K' – межа несучої спроможності грунту;

b_Л – довжина ріжучого периметра леза леміша;

Z, Х – параметри затуплення (рис.4.).

Рис.4. Параметри затуплення леза

Амплітуда зміни довжини коромисла

Δb = (F_СК(Г) +F_ЗАТ), (15)

де С – жорсткість пружного елементу.

Миттєве значення довжини коромисла

b_i = b₀ ± Δb = b₀ ± (F_СК(Г) +F_ЗАТ), (16)

де b₀ – номінальне значення довжини пружного елемента.

Таким чином, змінюючи значення початкової довжини пружного елементу та його жорсткості можна отримати необхідний діапазон зміни довжини коромисла для конкретних грунтово-кліматичних умов.

Наступним етапом досліджень передбачається шляхом польових досліджень перевірити вірність виконаних аналітичних досліджень.

Висновки

Проведеними аналітичними дослідженнями доведена можливість створення механізму віброприводу копача V- подібної форми, здатного адаптувати свій режим до зміни ґрунтових умов. Додатково виконане уточнення методики тягового розрахунку проф. А.М.Панченко, що дозволило підвищити точність отримуваних результатів на 10…15%.

Література

1.Булгаков В.М., Головач І.В. Використання вібраційних робочих органів при викопуванні коренеплодів цукрових буряків. – Вісник аграрної науки, 2004, №2. – С. 40-45.

2. Булгаков В.М., Головач І.В. Дослідження вібраційного викопування коренеплоду цукрового буряку з грунту за допомогою рівнянь Ейлера. / Електротехніка і механіка. Науково-виробничий журнал.– №2, 2006.– с.67-75.

3. Булгаков В., Адамчук В., Головач І. Знаходження мінімально допустимої частоти коливань вібраційного викопуючого робочого органа з умов забезпечення захоплювання кожного коренеплоду. / Вісник Львівського національного аграрного університету: агро інженерні дослідження. – Львів: Львівський нац. аграр. ун-т, 2008. – с.123-131

4. Волик Б., Друздь С. Лабораторні дослідження процесу вібраційного підкопування столових коренеплодів// Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. – Львів: Львів.нац.аграр. ун-т, 2008. - №12,(2). – С.273 - 277.

5. Кобець А.С., Іщенко Т.Д., Волик Б.А., Демидов О.А. Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів. – Дніпропет-ровськ: РВВ ДДАУ, 2009 – 84с.

6. Панченко А.Н. Аналитический метод определения тяговых сопротивлений почвообрабатывающих и землеройных машин и оценка их эффективности для энергосберегающих технологий: Учебное пособие / Днепропетр. гос. агр. ун-т. – Днепропетровск, 1995. – 96с.

7. Панченко А.Н. Теория измельчения почв почвообрабатывающими орудиями / Днепропетр. гос. агр. ун-т.- Днепропетровск, 1999. – 140с.