Конструкція ротаційної зубової борони на основі будови тіла біологічного аналогу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпровский державний аграрно-економічний університет

Конструкція ротаційної зубової борони на основі будови тіла біологічного аналогу

Теслюк Геннадій Володимирович, кандидат технічних наук, доцент кафедри тракторів і сільськогосподарських машин

Волик Борис Анатольевич кандидат технічних наук, доцент кафедри тракторів і сільськогосподарських машин

Теслюк Юлія Валеріївна аспірантка кафедри економіки

Summary

In the article the brought results over of analytical researches for rationalizations of parameters of rotary spike-tooth harrow on the basis of the use of methods of bionics. Reasonable biological analogue, analysed possibility of structural recreation of biological structure. Certain technical solution offers.

Tesliuk H.V.,associate professordepartment of tractors and agricultural machinery Dniprovsk state university of agriculturе and economics

Volik B.Aassociate professordepartment of tractors and agricultural machinery Dniprovsk state university of agriculturе and economics

Tesliuk Y. Vgraduate student department of economics Dniprovsk state university of agriculturе and economics

A CONSTRUCTION OF ROTARY SPIKE-TOOTH HARROW IS ON BASIS OF BUILD BIOLOGICAL TO ANALOGUE

Анотація

В статті наведені результати аналітичних досліджень по раціоналізації параметрів ротаційної зубової борони на основі використання методів біоніки. Обгрунтований біологічний аналог, проаналізована можливість конструктивного відтворення біологічної структури. Запропоноване конкретне технічне рішення.

Ключові слова. Борона ротаційна зубова, біологічний аналог, пружне кріплення.

зубовий борона біоніка

Постановка проблеми

Основне призначення ротаційної зубової борони - руйнування поверхневої грунтової кірки і вичісування бур'яну. Як показує аналіз досліджень найбільш раціональний режим роботи знаряддя -це вертикальне занурення голки в оброблюване середовище і вихід з нього в режимі утворення мікровибуху. Проблема вертикального входження в грунт легко вирішується підбором раціонального кінематичного режиму. Складніше справа з подальшим переміщенням голки і її виходом на денну поверхню. Оглядом досліджень [1-3, 6-8. ] окреслені основні напрямки раціоналізації цього етапу взаємодії голки з грунтом. Перш за все, це придания голкам спеціальної форми.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Рисунок 1 - Конструктивна схема гнучкоїротаціної борони Л.Ф.Бабицького [1]

Використання методів біоніки є одним з перспективних напрямків удосконалення грунтообробних манин. В галузі сільськогосподарського машинобудування основні ідеї біонічного моделювання започатковані А.Н. Гудковим [5]. Подальший розвиток напрямку належить школі Л.Ф.Бабицького [1-3].

Стосовно ротаційної зубової борони відоме конструктивне рішення [1], де в якості біологічного аналогу був взятий дощовий хропак. Позитивний ефект полягає в тому, що кожен окремий диск борони виконує обертовий рух зі зміною положення осі обертання. Складне за формою переміщення зануреної голки інтенсифікує процес кришення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Схема коливального руху голок борони Л.Ф.Бабицького [1]

Близьким за технічною суттю є технічне рішення, запропоноване А.А. Кемом [6].

Автором, шляхом аналітичних досліджень встановлено, що якість довсходового обробітку залежить від можливості копіювання поверхні робочими органами ротаційної борони.Запропонована конструкція борони з демпферними пристроями і голками V- подібної форми. (рис.3). Для такої конструкції характерний нестабільний рух з прискоренням і підгальмовуванням, що можна розглядати як такий, що провокує мікровибухи у поверхневому шарі.

Конструктивно знаряддя виконане наступним чином. До рами 1 прикріплений ланцюговий шлейф 2. Ланцюги 4 являють собою круглі кільця прямокутного перетину. Кільця з'єднані між собою пружними проміжними ланцюгами. За аналогією з дощовим хропаком на кідьцях перпендикулярно один до одного прикріплені чотири пари голок 3 прямокутного перетину. В процесі руху, за рахунок наявності пружних елементів, голки виконують складний коливальний рух (рис.2.), що дозволяє робити поверхневий шар ґрунту більш однорідним.

До невирішених проблем слід віднести відсутність аргументованого технічного рішення по індивідуальному кріпленню голки на диску

Мета дослідження : покращення якісних показників поверхневого обробітку грунту шляхом раціоналізації руху голок на основі запозичення методів біоніки.

Основний матеріал досліджень В живій природі існують тварини, тіло яких вкрито голками. Розглянемо звичайного їжака, який вирішує проблему видалення паразитів з поверхні голок тим, що нанизує на голку листя та інші рослинні рештки і таким чином їх вичісує.

Особливо ефективним є використання для цього деяких видів отруйних грибів, бо в такому разі додатково додається бактерицидний ефект. Але, нанизані матеріали треба видалити. Відомо, що їжак чистить свої голки шляхом зперегину поверхні тіла на якій вони закріплені. Аналогічно, робить і морський їжак, який нами і пропонується в якості біологічного аналогу (рис.4.) Такий вибір нами аргументований тим, що з точки зору механіки кріплення голки морського їжака більш підходить до конструктивного відтворення. На рис. 5 представлений зовнішній вид окремо взятої голки.

Рисунок 4 -Загальний вид морського їжака (Spaerechinusgranularis)

Як видно на представленому рисунку, голка їжака практично повністю відповідає профілю веретена.

Профіль характеризується тим, що центральна частина циліндрична і за діаметром більша за переферійні Самі кінцівки конусної форми, в місці кріплення до панцаря коловка має шаровидну суглобову головку, яка забезпечує шарнірне з'єднання. Це надає можливості в залежності від натягнутості м'яз 4 (рис. 6) забезпечувати зміну кута постановки голки до тіла, чим забезпечується самоочищення голчастої поверхні. Така особливість будови характерна також і для сухопутного їжака.

Рисунок 5 : а- Голка морського їжака (ЗраегесИіпш' granularis); б- загальний вид веретена :1 - суглобова головка; 2 - зовнішня конусна кінцівка.

Особливо треба відмітити, що тварина має тіло шаровидної форми, що наближає його до конструкції роторних борін за схемами [1,6]

В ході обгрунтування параметрів ротаційної голчастої борони ми прийшли до висновку, що форма веретена є раціональною для голки ротаційної борони. На нашу думку перевага полягає в тому , що відносно велика конусність (в розробленій нами конструкції - 180) запобігає нанизуванню рослинних решток на тіло голки. Одночасно, різкий перехід від ціліндричної до конусної ділянок полегшує сходження рослинних решток з тіла голки.

Голки такої конструкції максимально пристосовані до роботи в умовах наявності на поверхні великої кількості рослинних решток, що характерно для ведення органічного землеробства.

Таким чином, для забезпечення самоочищення голок ротаційної борони треба виконати голку у формі веретена ї забезпечити її пружне кріплення до ступиці диска. Під дією реакції грунту голки будуть змінювати кут постановки і тим самим забезпечувати «ефект їжака».

Нами розроблена конструктивна схема в якій закладені наведени вище принципи з максимальною уніфікацієдо з серійними зразками, що надає можливості встановити розроблену конструкцію на серійну машину.

Шпоровий (голчастий) диск має наступну конструкцію, рис.7. Цільнолитий диск 1 має по периметру приливи 2 з ціліндричними порожнинами 3. Голка суглобовою головкою всередину поміщена у порожнину до упору. Порожнина залита модифікованою силіконовою масою (рис.8).

Для надійності фіксації силікону, порожнина має циліндричні проточки. Для заливки пружної маси в корпусі голки виконані технологічні отвори (на рисунку не показані).

а б

Рисунок 6,а - Схема кріплення голки до панциря їжака (а):1 - голка; 2 - епітелій; 3 - нервове кільце; 4 - м'язи; 5 -суглобова головка; 6 - панцирь

Рисунок 6, б -Реологічна модель механізму кріплення : 1 - в'язкий елемент; 2 - пружний елемент

Рисунок 7 - Конструктивна схема голчастого диска : 1 - диск; 2 - голка; 3.

Рисунок 8 - Варіанти конструктивного виконання голок а - базовий варіант; б- варіант зосередженого навантаження діючих сил; в - варіант розсередженого навантаження діючих сил

В усіх наведених варіантах виконання голка показана в урівноваженому положенні. Але, таке положення легко переходить в неурівноважене в залежності від напряму загальної реакції діючих сил. Варіанти відрізняються характером діючої сили : а - сила розосереджена і діє по дотичній; б - сила зосереджена по осі, що виводить стискання пружнлго елементу за межі лінійності; в - сила розосереджена по довжиніі і кожна вважати, що кожна з ділянок між упорними кільцями 5 працює в режимі лінійного стискання. Таким чином, якщо на диску встановлені в довільному порядку всі три варіанти голок, ми отримаємо ефект, коли всі голки будуть відхилятись індивідуально, що і призведе до появи ефекту їжака

Конструкція працює наступним чином.

В процесі кочення диска по поверхні грунту на голку діють вертикальна, повздовжна і поперечна сили реакції грунту. Під дією доведених сил силіконова маса зминається і голка змінює своє положення, величина якого обумовлюється жорсткістю залитої пружної маси і напрямком вектору діючої сили. Окремо слід відмітити, що запропонована конструкція забезпечує віброударну дію механізму і це інтенсифікує процес кришення[4].

Під дією доведених сил пружна опора буде змінювати свою довжину. Вважаємо, що інші розміри не зміюються бо опора знаходиться в обмеженому просторі. Величина деформації визначає амплітуду коливань голки Для визначення величини деформації скористаємось законом Гука :

де Р -величина доведеної сили;

L -довжина пружного елементу;

S -площа поперечного перетину;

Е -модуль юнга матеріалу пружного елементу.

дL-абсолютне зменшення довжини.

Закон Гука встановлює лінійну залежність між деформацією та механічним напруженням, але для малих величин ??????,

Щоб гарантовано вийти за межі цієї вимоги нами діюча сила розосереджена по довжині шляхом введення спеціальних виступів (рис. 8,в).

Аналітично обгрунтувати параметри пружного елементу складно. Тому запропонована нижче методика нами пропонується як оціночна.

У відповідності до досліджень В.М. Булгакова [3] раціональний режим віброударної дії для грунтообробючих знарядь становить амплітуда, мм - 5-10; частота, с-1 - 10 - 20

Напрямок дії принципового значення не має. Ефект полягає у створенні вібротекучого середовища.

Як показали, виконані нами лабораторні дослідження вертикальна складова реакції грунту для грунтових умов наближених до усереднених по Дніпропетровській області становить близько 140 Н.

Таким чином жорсткість пружного елементу повинна дорівнювати :

СЖ= 140/1,0 = 140 Н/см,

Раціональна швидкість поступового гуху 4,04,5 м/с.Де амплітуда коливань прийнята 10 мм = 1,0 см.

Час релаксації пружного елементу і поступова швидкість агрегату взаємозалежні і тому один з показників треба приймати виходячи з експлуатаційних міркувань. Приймаємо швидкість поступового руху V = 4,5 м/с. В режимі без пробуксовування Робочий цикл однієї голки, тобто від початку занурення до виходу на денну поверхню

Вважаємо, що голка почне вивільняти енергію стискання одразу після переходу нейтрального, тобто вертикального положення і ця енергія повинна рівномірно вивільнюватись протягом всього циклу мікровибуху. Таким чином, час повної релаксації пружної опори повинен дорівнювати 0,045 с.

Висновки та пропозиції

Застосування методів біоніки є перспективним напрямком удосконалення конструктивних параметрів грунтообробних машин.

Працездатність ротаційної зубової борони можна суттєво покращити шляхом раціоналізації параметрів голок (зубів) на основі запозичення принципів будови тіла біологічного аналогу - їжака.

Раціональні параметри конструкції :

діаметр голки 16 мм при конусності 7-90.

радіус описаного кола 500 - 510 мм.

Раціональні параметри пружного елемента:

жорсткість 140 н/см,

час релаксації с = 0,045 с.

Дотримання цих параметрів забезпечує амплітуду віброударних коливань 1,0 см з частотою 15с-1

Список літератури

Бабицкий Л. Ф. Обоснование конструктивных параметров гибкой бороны / Л. Ф. Бабицкий, И. В. Соболевский, В. А. Куклин // Вісник Українського відділення Міжнародної академії аграрної освіти. - 2016. - Вип. 4. - С. 61-68.

Белокопытов А.В. Обоснование рациональных параметров рабочих элементов игольчатых рабочих органов для сплошной обработки почвы в условиях юга Украины. - Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Мелитополь, 1997. с.200.

Булгаков В. М. Дослідження вібраційних процесів при основному обробітку ґрунту / В. М. Булгаков, М. О. Свірень, Р. В. Кісільов, С. Б. Орищенко, І. О. Лісовий // Науковий вісник Таврійського державного агротехнологічного університету. - 2015. - Вип. 5, Т. 1. - С. 3-13.

Гудков А.Н. Теоретические основы

построения рабочих процессов

сельскохозяйственных машин с учетом характера живой материи растений, животных, почвы. Кн. Земледельческая механика. М.: Машиностроение, 1966. Т.9. С. 86-97

Кем А.А., Чекусов М.С., Черемисин А.И. Ротационная борона для грядовых оброботок посадок картофеля. / Сельскохозяйственные машины и технологии. - №5. -2015 - С.34-37.

Шевчук В.В. Обгрунтування параметрів та режимів роботи гольчастої борони автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн.наук /В.В. Шевчук - Львів, 2015. - 24с.

Шустік Л. Ротаційна Борона Динар-5,4 (Лозовські машини). Функціональні випробування (фокус-тест) / Л.Шустік, Н. Нілова, В. Супрун/ Техніка і технології АПК №9-9(107), 2018. - С.- 36 - 39.

Размещено на Allbest.ru