Сельскохозяйственные машины с трубчатыми упругими элементами

Сельскохозяйственные машины с трубчатыми упругими элементами

В трубчатых упругих элементах используется свойство полой тонкостенной трубки некругового сечения деформироваться под действием подводимого давления [1, 2]. Трубчатый элемент представляет собой трубку, изогнутую по определенному радиусу и имеющую поперечное сечение значительно отличающееся от круглого. Один конец трубки герметично соединен со штуцером и закреплен, а другой должен быть герметично заглушен и соединен с механизмом. Через отверстие в держателе во внутреннюю полость трубки можно подавать (отводить) газ или жидкость с целью изменения давления в полости. Под действием давления происходит деформация поперечных сечений трубки и она изгибается, а ее свободный конец совершает перемещение и может передавать усилие. Величина этого хода и величина усилия зависят от материала трубки, величины давления и геометрических параметров трубки.

Первоначально упругие чувствительные элементы нашли применение в приборах для измерения давления и температуры [3, 4]. Затем стали применяться и в других целях, например в качестве силовых элементов тормозов, манипуляторов, реле-переключателей и т. д. [5−9]. Преимущество таких конструкций в том, что они не содержат трущихся частей и являются герметичными, что позволяет использовать их в вакууме.

Одним из направлений применения манометрических пружин является использование их в сельскохозяйственной технике.

Трубчатые упругие чувствительные элементы нашли применение в рабочих органах почвообрабатывающих и посевных машин. Известна запатентованная конструкция рабочего органа культиватора [10] рис. 1. Основные элементы рабочего органа культиватора: рыхлительная лапа 1, стойка 2, штуцер 3, рама 4, кронштейн 5.

В данном патенте указано, что стойка изготовляется из сплюснутой трубки (эллиптического или плоскоовального сечения) С-образной формы, на ее конце закреплена рыхлительная лапа. В процессе обработки почвы сила сопротивления почвы изменяется, что приводит к колебаниям стойки. Подача рабочей жидкости под переменным давлением в полость стойки 2 через штуцер 3 рабочей жидкости вызывает колебательные движения конца стойки с рыхлительной лапой 1. Частота и амплитуда этих колебаний могут регулироваться параметрами подаваемого давления. И можно задать режимы колебаний, совпадаемые по частоте с колебаниями, возникающими от сил сопротивления почвы, что позволит снизить тяговое сопротивление агрегата на различных видах почв и повысить эффективность самоочистки рабочего органа.

Следующая полезная модель [11] отличается тем, что большая полуось поперечного сечения трубки является продолжением радиуса кривизны самой стойки. Это приводит еще и, кроме всего перечисленного выше, ктому, что увеличивается жесткость по отношению к силам сопротивления почвы, снижается металлоемкости конструкции.

Известны сошники почвообрабатывающих агрегатов на упругих стойках рабочих органов C и S-образного типа, имеющих прямоугольное и трубчатое поперечное сечение. В качестве рабочего органа сошника применяется стрельчатая культиваторная лапа. Недостатком этих конструкций является недостаточно точное соблюдение агротехнических требований по глубине заделки семян. Cцелью обеспечения возможности точного соблюдения глубины высева семян в патенте [12] предложена конструкция сошника. Стрельчатая культиваторная лапа закреплена на С-образной части стойки, которая является продолжением S-образной части стойки. Стойка крепится к раме посредством кронштейна. Для транспортировки семян в почву имеется семяпровод. Стойка имеет такое поперечное сечение, что большая полуось поперечного сечения расположена перпендикулярно к плоскости кривизны стойки. Каждая часть сварной стойки представляет собой упругий трубчатый элемент и имеет штуцер для подачи давления в соответствующие внутренние полости (не соединенные между собой). Для раскрытия возможностей данного сошника перед ним необходимо установить копирующее устройство, реагирующее на изменение рельефа почвы при движении и подающее данные в блок управления. Данный блок обрабатывает сигнал и управляя гидрораспределителем изменяет величину давлений, подаваемых в полости стойки. Это приводит к деформации поперечных сечений стойки и перемещению стрельчатой лапы в вертикальной плоскости, что дает возможность соблюдать глубину заделки семян.

Предложена также конструкция сошника [13], которая отличается от предыдущей наличием пластинчатых вкладышей во внутренних полостях стойки.

Известна полезная модель [14], в которой S-образная стойка состоит из двух C-образных частей: гибкого трубчатого элемента, закрепленного на раме, и элемента прямоугольного сечения, на котором закреплена стрельчатая лапа. Трубчатый элемент имеет такую форму поперечного сечения, что большая ось поперечного сечения перпендикулярна плоскости кривизны стойки. В процессе культивации почвы или посеве сельскохозяйственных культур стерневыми сеялками (с использованием рассматриваемых стоек) сила сопротивления почвы стремится вытолкнуть лапу на поверхность, что уменьшает глубину обработки, а это нарушение агротехнологических требований. Отклонение стойки от определенного значения фиксируется специальным датчиком, связанным с гидрораспределителем, который подает жидкость под давлением через штуцер во внутреннюю полость гибкого трубчатого элемента. В результате трубчатый элемент изгибается и лапа заглубляется. Это дает возможность соблюдать глубину при выполнении предпосевной обработки почвы и заделке семян на различных почвах (легких, средних и тяжелых). Несоблюдение агротехнологических требований при посеве может привести к значительному снижению урожайности. Одним из путей соблюдения глубины заделки семян видится применение подвесок сошников сеялок с автоматически изменяемой жесткостью. Известна также полезная модель механизма подвески сошника с автоматически изменяемой жёсткостью [15], позволяющая работать на различных типах почв без предварительной регулировки. Подвеска (рис.2) устроена следующим образом: С-образный гибкий трубчатый элемент 3 с некруглой формой поперечного сечения имеет герметичную внутреннюю полость, для подачи в полость трубчатого элемента жидкости под давлением имеется штуцер 6. Трубчатый элемент одним концом жестко закреплен на раме 4 сеялки, а вторым соединен посредством скобы 5 с поводком 1, несущим на конце сошник 2.

Рис. 2 Подвеска дискового сошника

Повышение давления во внутренней полости приводит к разгибанию трубчатого элемента, что вызывает опускание поводка с сошником, а снижение внутреннего давления позволяет сошнику подниматься. Использование в данном случае системы управления гидрораспределительной системой трактора, с использованием системы отслеживания рельефа и плотности почвы [16, 17], позволяют соблюдать глубину высева на почвах с разными физико-механическими свойствами в автоматическом режиме.

Сдерживающим фактором такого широкого применения упругих трубчатых элементов являлось отсутствие методик расчета их технических характеристик. Разработка таких методов расчета и составление алгоритмов расчетов на их основе, реализация их в прикладных программах для ЭВМ [18 — 20], позволяют подобрать необходимые геометрические параметры упругих трубчатых элементов.

• 1. Bourdon M.E. A decription of mercuryless metallic pressure gages for indicating steam pressure in boiler. Bulletin de la’Societe d’Encauragement pour l’Industrie Nationale, 59, 1851, p. 197.
• 2. Hill E. Bourdon Metallic Barometer. Messenger of Mathematics, 1872, 1, p. 15.
• 3. Андреева Л. Е. Упругие элементы приборов М.: Машгиз, 1962. 456 с.
• 4. Корсунов В. П. Упругие чувствительные элементы Саратов: Издательство Саратовского ун-та, 1980. 264 с.
• 5. Буженко В. Е. Исследование трубчатых пружин, работающих в силовом режиме: дис. канд. техн. наук: защищена: утв. / Тюмень, 1978. 143 с.
• 6. Гаврюшин С. С., Барышникова О. О., Борискин О. Ф. Численные методы в проектировании гибких упругих элементов. Калуга: ГУП «Облиздат», 2001. 200 с.
• 7. Александрова А. Т. Новые способы передачи и формирования движения в вакууме. М.: Высшая школа, 1979. 69 с.
• 8. Александрова А. Т., Горюнов А. А., Ермаков Е. С. Вакуумные манипуляторы // Электронная промышленность. 1981. № 10. С. 10 — 20.
• 9. Александрова А. Т., Ермаков Е. С. Гибкие производственные системы электронной техники. М.: Высшая школа, 1989. 69 с.
• 10. Патент РФ на изобретение № 2 428 825, МПК А01 В 35/20, А01 В 35/32, А01 В 39/20, Рабочий орган культиватора/ Н. Н. Устинов, С. Н. Кокошин, Н. И. Смолин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Тюменская ГСХА. № 2 009 136 304/21; заявл. 30.09.2009; опубл.20.07.2011, Бюл. № 26.
• 11. Патент РФ № 116 000 U1 на полезную модель, А01 В 39/20, А01 В 35/20. Рабочий орган культиватора/ А. А. Маратканов, Н. И. Смолин, С. Н. Кокошин, Н. Н. Устинов. Заявл. 03.05.2011, опубл. 20.05.2012.Бюл. № 14.
• 12. Патент РФ на полезную модель № 94 406, МПК, А 01С 7/20 (2006.01) Сошник/ Н. Н. Устинов, С. Н. Кокошин, Н. И. Смолин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Тюменская ГСХА. № 2 009 149 569/22; заявл. 30.12.2009; опубл.27.05.2010, Бюл. № 15.
• 13. Патент РФ на изобретение № 2 432 729 МПК А01С 7/20, Сошник/ С. Н. Кокошин, Н. Н. Устинов, С. П. Пирогов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Тюменская ГСХА. № 2 009 146 254/21; заявл. 14.12.2009; опубл.10.11.2011, Бюл. № 31.
• 14. Патент РФ № RU 154 527 U1 на полезную модель. Стойка лапового рабочего органа/ С. Н. Кокошин, Б. О. Киргинцев. Заявл. 11.11.2014, опубл. 27.08.2015. бюл. № 2.
• 15. Патент на полезную модель № 164 384.Механизм подвески дискового сошника / С. Н. Кокошин, Б. О. Киргинцев. Заявл.23.11.15, Опубл. 9.08.2016 Бюл. № 24.
• 16. Скурятин Н. Ф., Мерецкий С. В. Совершенствование процесса посева зерновых на склоновых почвах // Инженерный вестник Дона, 2012, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/662/.
• 17. Михайлин А. А. Анализ устойчивости обрабатываемых влагонасыщенных склоновых почв // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1182/.
• 18. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ. 2 005 610 556 РФ Программный комплекс «Модуль для расчета трубчатых манометрических пружин» / С. С. Самакалев, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин 2 005 610 024; заявл. 11.01.2005; опубл. 20.06.2005, Бюл. № 2 (51). С. 129−130.
• 19. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ 2 007 612 005 РФ. Программный комплекс «ПКРМТП» для расчета манометрических трубчатых пружин / Чуба А. Ю., Самакалев С. С., Пирогов С. П. № 2 007 611 194; Заявл. 2.04.2007; Опубл. 17.05.2007.
• 20. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ 2 015 615 645 РФ. Программный комплекс для расчета манометрических пружин (МАНОМЕТР) / Черенцов Д. А., Пирогов С. П., Чуба А. Ю. № 2 015 612 166; Заявл.: 25.03.15; Опубл.: 22.05.15.