Компьютерные технологии в преподавании инженерной графики и моделирования сельскохозяйственной техники

В данной статье рассмотрен вопрос закономерности влияния науки на процесс производства сельскохозяйственной техники и применения научных разработок на конкретном примере проектирования новой конструкции корпуса лемешного плуга. Указана взаимосвязь влияния научных изысканий на форму и вид конструкции почвообрабатывающих орудий на примере рабочего органа плуга. Также приведена методика применения пакета КОМПАС 3Dв проектировании сельскохозяйственной техники.

Ключевые слова: плуг, почва, ширина захвата, давление, качество обработки, рабочий орган, энергосбережение, нагрузка, отвал, рабочая поверхность, эксперимент, качество, моделирование, проектирование, методика.

Кафедра процессы и машины в агробизнесе ФГБОУ ВПО Кубанского государственного аграрного университета проводит исследования в области основной обработки почвы. Преподавательская деятельность направленна на преподавание более 30 дисциплин на различных специальностях и направлениях. Одним из важных предметов является компьютерная графика, на преподавание которой отводится большое количество часовой нагрузки. Также ведется обширная научная работа, которая направлена на совершенствование и разработку дополнительных рабочих органов для сельскохозяйственной техники, для возделывания сельскохозяйственных культур при применении различных технологических операции в разных агроклиматических условиях.

Все процессы работы сельскохозяйственных машин основываются на принципах построения математических моделей, их теоретической проверки, проверки на лабораторных стендах и на проведение полномасштабных полевых опытов.

В случае проведения нашей работы нами использовался пакет САПР КОМПАС 3D V12, при помощи которого были выполнены рабочие чертежи и эскизы предлагаемых деталей, а именно нами предлагается установить комплект дополнительных рабочих органов (рис.1) в выполненных в виде плоскорежущих лап и установленные на каждом корпусе лемешного плуга. Данная конструкция позволит улучшить качественные показатели работы пахотного агрегата, а именно сократить количество проходов сельскохозяйственных машин по полю для подготовки его к посеву.

Работы проводится на базе патентов РФ № 2491807; 136275; 136674 позволяющих повысить качество оборота пласта при минимальных затратах энергии. При использовании пакета САПР КОМПАС 3D V12 значительно сокращается время на проектирование и создание отдельных рабочих чертежей предлагаемой конструкции. В условиях ограниченного времени, когда испытания необходимо провести в сжатые сроки, а для изготовления полевой или лабораторной установки необходимо знать четкое количество металла и крепежных элементов, то данная программа как нельзя лучше подходит к выполнению данного процесса.

Исследования проводились на территории Краснодарского края. Выбор марки трактора осуществлялся исходя из того что нами был создан рабочий пахотный агрегат марки ПЛН-4–25, и по эксплуатационным характеристикам нам подходил трактор марки МТЗ-80 класса 1,5–2 тонны [1].

Этот трактор пользуется предпочтением у производственников в силу своей универсальности, позволяющей использовать его с высокой степенью загрузки в течение всего года. В отличие, например, от гусеничных тракторов. Сущность предлагаемой конструкции поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображен плуг (вид сверху): на фигуре 2 общий вид корпуса плуга; на фигуре 3 общий вид корпуса плуга в аксонометрии, фиг. 4 — вид А.

Плуг, содержит раму 1, установленные на ней плужные корпуса 2, каждый из которых состоит из стойки 3, лемеха 4, отвала 5 и регулируемой по высоте плоскорежущей бритвы 6 которая установлена на стойке 3 со стороны полевого обреза под углом α= 15–45°(Фигура 4 вид А) к направлению движения плуга противоположно углу наклона лемеха плуга и имеет ширину, равной ширине захвата одного корпуса плуга, такая установка плоскорежущей бритвы обеспечивает зеркальное отображение лемеха плуга. Установка плоскорежущей бритвы под углом α= 15–45° обусловлена тем, что работа плоскорежущей бритвы, установленной в заданных пределах, обеспечивает оптимальные параметры крошения почвы на заданной глубине обработки [2].

Рис. 1. изобретения по патенту № 2491807

Согласно патенту плуг RU 2491807 C1был изготовлен лабораторный образец и проведены его испытания [2]. Плуг рисунок 1 содержит раму с установленными плужными корпусами, каждый из которых состоит из стойки, лемеха, отвала и плоскорежущей бритвы. Плоскорежущая бритва установлена на стойке со стороны полевого обреза под углом 15- 45° к направлению движения плуга с возможностью регулирования по высоте. Плоскорежущая бритва установлена противоположно углу наклона лемеха плуга и имеет ширину, равную ширине захвата одного корпуса плуга. Такое конструктивное выполнение позволит повысить степень крошения почвы за счет ее дифференцированной по глубине обработки основным и дополнительным рабочими органами в зависимости от состояния почвы и предшественника, а также снижение тягового сопротивления плуга за счет снижения давления полевой доски о стенку борозды.

Техническим результатом является снижение металлоемкости по сравнению с лемешными плугами, в которых используется предплужники. Наблюдается снижение тягового сопротивления и повышения качества обработки почвы за счет снижения количественных и качественных показателей корпуса плуга.

Технический результат достигается тем, что в корпусе лемешного плуга рисунок 1, содержащем стойку, крепежный элемент лемеха и отвал на стойке, со стороны полевого обреза установлен режущий рабочий орган, в качестве режущего рабочего органа использована плоскорежущая бритва со стойкой соединенная со стойкой корпуса плуга «П» — образным крепежным элементом с возможностью регулирования по высоте.

Суть изобретения поясняется рисунком 2, фигурой 1 общий вид корпуса лемешного плуга в аксонометрии, фигура 2 (Вид А) фрагмент крепления стойки плоскорежущей бритвы, на фигуре 3 (вид Б) фрагмент фиксации стойки плоскорежущей бритвы.

Новизна заключается тем, что плоскорежущая бритва установлена со стороны полевого обреза путем закрепления ее за стойкой основного корпуса плуга с возможностью плавной регулировки по глубине обработки в зависимости от почвенных условий.

Корпус лемешного плуга содержит стойку 1 корпуса плуга с отвалом 2, лемехом 3, полевой доской 4. Плоскорежущая бритва 5 со стойкой 6 соединена со стойкой 1 корпуса плуга «П» — образным крепежным элементом 7 с отверстиями 8. «П» — образный крепежный элемент содержит систему крепления состоящую из болта фиксации 9, неподвижной гайки 10 и контр гайки 11, соединяющую стойку 6 плоскорежущей бритвы 7 с основной стойкой 1корпуса плуга (фиг. 2). Плоскорежущая бритва 5 закреплена на стойке 6, непосредственно за основной стойкой 1 корпуса плуга «П» — образным крепежным элементом 7, который крепиться посредством отверстий 8 к основной стойке корпуса плуга 1.

Плавность регулировки в пределах заданной высоты достигается конструктивным элементом стойки 6 (Вид Б фигура 3), который выполнен в виде гребенки 12 для фиксации болта 9 по вертикали в промежутке Н не более 10 мм.

Работает корпус лемешного плуга следующим образом: в процессе движения пахотного агрегата по полю корпус лемешного плуга внедряясь в почву лемехом 3 подрезает пласт почвы и отводит его на отвал 2 который его оборачивает, плоскорежущая бритва 5 установленная на стойке 6 со стороны полевого обреза внедряется в стенку борозды подрезая пласт почвы в горизонтальной плоскости разрушает его для оборота следующим корпусом плуга. Плоскорежущая бритва имеет плавную регулировку по высоте для обработки различных почв.

Рис. 2 патент № 136674: 1 — корпуса плуга; 2 — отвал; 3- лемех; 4 — полевая доска; 5 — плоскорежущая бритва;:6 — стойка; 7 — «П» — образный крепежный; 8 — отверстия; 9- болт фиксации; 10 — неподвижная гайка; 11 — контр гайка.

Для проведения лабораторных и полевых исследований была изготовлена специальная установка рисунок 3, с помощью которой можно было производить полевые испытания [4], [5].

Рис. 3. Кинематическая схема переходной рамы к трактору МТЗ: 1 — остов трактора; 2 — маятниковый узел; 3 (ВС) — несущий элемент переходной рамы; 4 — первичный измерительный преобразователь силы (консольная балка) равного сопротивления с тензорезисторами; 5 — подшипники; 6 — регулируемый упор; 7 — продольные тяги трактора; 8 — центральная тяга трактора; 9 — навешиваемая машина с рабочими органам.

Полученные результаты представлены в виде графика, показанного на рис.4. Определение факторов влияющих на производительность и качество обработки. При рассмотрении факторов влияющих на производительность и качество обработки учитывалось их расположение в пространстве относительно друг друга и их геометрические размеры. Анализ непрерывных симметричных планов второго порядка показал, что максимальное значение определителя информационной матрицы достигается в том случае, когда моменты плана соответственно равны. Для этого использовали ортогональный симметричный план (звездные точки которого равны ±1). Изучалось влияние двух факторов и фиксированы их значения на оптимальных уровнях. Факторы, интервалы и уровни варьирования представлены в таблице 1

По указанной методике мы проводим исследования плоскорежущих рабочих органов. Так при рассмотрении факторов влияющих на производительность и качество обработки учитывалось их расположение в пространстве относительно друг друга и их геометрические размеры.

Анализ непрерывных симметричных планов второго порядка показал, что максимальное значение определителя информационной матрицы достигается в том случае, когда моменты плана соответственно равны.

Для этого использовали ортогональный симметричный план (звездные точки которого равны ±1). Изучалось влияние двух факторов и фиксированы их значения на оптимальных уровнях. Факторы, интервалы и уровни варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1

Факторы, интервалы и уровни варьирования

На качество обработки влияет скорость движения и диаметр ротационного рабочего органа.

Уровни факторов выбирали таким образом, чтобы оптимальные их значения, рассчитанные теоретически или учитывающие существующие ограничения, попадали в центр интервала варьирования.

Максимальным значением для первого фактора x₁ являлось ширина захвата плоскорежущей бритвы равной n_max = 300 мм. и снижались до n_min = 0 мм, что соответствовало интервалу варьирования.

Для второго фактора х₂ значения, являлось значение скорости движения пахотного агрегата k_vmax = 10,76 и снижался до k_vmin = 5.34 что соответствовало интеpвалу варьирования.

На основании этих рассуждений были выбраны интервалы варьирования и уровни факторов, значения которых занесены в таблицу 2. Матрица планирования представлена в таблице 1. Опыты проводили согласно описанной выше методике.

Порядок проведения опытов выполнялся согласно таблице случайных чисел. Средние величины параметров оптимизации представлены в таблице 2.

После математической обработки экспериментальных данных получили следующие уравнения регрессии [6] [7] [8] [9].

     (1)

где Y — производительность плуга при взаимодействии 1 и 2 фактора.

Выполняя каноническое преобразование и решая систему линейных уравнений, находим координаты центра поверхности отклика

X₁= -0,05436, X₂= -0.02451

Подставляя найденные значения х₁, х₂ в уравнение (1) определяем значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика.

Угол поворота осей a равен -6,27 градусов, а коэффициенты регрессии в канонической форме равны: В₁₁ = 9,22; В₂₂ = 3,54.

Уравнение регрессии в канонической форме

                                                                        (2)

Таблица 2

Матрица планирования при оптимизации показателей работы лемешного плуга с плоскорежущими рабочими органами.

Параболы (рис 4). Один из коэффициентов канонического уравнения равен нулю, при этом центр фигуры находится в бесконечности. Поверхность отклика является возрастающим возвышением (гребнем). В этом случае можно поместить начало координат в какую-либо точку (обычно вблизи центра эксперимента) на оси, соответствующей незначимому коэффициенту канонического уравнения, и получить таким образом уравнение параболы. Например, если равен нулю В₂₂ то выбрав новый центр s', можно получить уравнение параболы , где В₂ — коэффициент, определяющий крутизну наклона возвышения, т. е. скорость увеличения параметра оптимизации по оси . В практических задачах часто центр фигуры s удален за пределы той области, где проводился эксперимент, и тогда один из коэффициентов (В₁₁ или В₂₂) близок к нулю. В этом случае в зависимости от наклона, поверхность отклика будет аппроксимироваться либо стационарным, либо возрастающим возвышением.

Подставим различные значения отклика Y в канонические уравнения (1) было получено семейство сопряженных изолиний (рис. 4). Расположение элементов производительности в области эксперимента напоминало поверхность типа «эллипса». Центр эксперимента находится в переделах области эксперимента. Максимальная производительность в данном случае будет при ширине захвата плоскорежущей бритвы равна 190,54 мм. и скорости движения 6,15 км/ч.

Рис. 4. Поверхность зависимости диаметра диска от скорости движения

В результате проделанной работы мы получили:

-        Получена конструкция комбинированного лемешного плуга с дополнительными плоскорежущими рабочими органами.

-        Составлена матрица планирования эксперимента. И изучены физикомеханические свойства почвы и получены их среднее значение.

-        Получен график зависимости ширины захвата плоскорежущей бритвы от скорости движения пахотного агрегат, из которого видно, что при увеличении коэффициента ширины захвата плоскорежущей бритвы происходит уменьшение производительности, а соответственно и ухудшение качественных показателей работы лемешного плуга.

-        Были обоснованы факторы влияния на производительность (ширина захвата плоскорежущей бритвы и скорость движения). С использованием планирования двухфакторного эксперимента по ортогональному плану определены оптимальные параметры режимов работы лемешного плуга при условии выполнения исходных требований к качеству обработки. Согласно полученному уравнению регрессии по критерию максимальной производительности лемешной обработки почвы центр эксперимента находится в переделах области эксперимента при этом максимальная производительность в данном случае будет при ширине захвата плоскорежущей бритвы 190,54мм. и скорости движения 6,15 км/ч. [10].

Литература:

1.                  Трубилин Е. И. Экономическая эффективность отвальной обработки почвы разработанным комбинированным лемешным плугом / Е. И. Трубилин, С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 09(103). С. 654–672. — IDA [article ID]: 1031409040. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/40.pdf, 1,188 у.п.л.

2.                  Трубилин Е. И. Результаты экспериментальных исследований определение степени тягового сопротивления лемешного плуга при обработке тяжелых почв / Е. И. Трубилин, С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 09(103). С. 673–686. — IDA [article ID]: 1031409041. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/41.pdf, 0,875 у.п.л.

3.                  Белоусов С. В. Расчет основных параметров разбрасывателя сыпучих материалов / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 1884–1900. — IDA [article ID]: 1041410131. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/131.pdf, 1,062 у.п.л.

4.                  Трубилин Е. И. Основная обработка почвы с оборотом пласта в современных условиях работы и устройства для ее осуществления / Е. И. Трубилин, С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 1863–1883. — IDA [article ID]: 1041410130. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/130.pdf, 1,312 у.п.л.

5.                  Белоусов С. В. Внесение сыпучих материалов при помощи центробежных разбрасывателей. Существующие проблемы и пути их решения / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 1849–1862. — IDA [article ID]: 1041410129. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/129.pdf, 0,875 у.п.л.

6.                  Белоусов С. В. Патентный поиск конструкций обеспечивающих обработку почвы с оборотом пласта. Метод поиска. Предлагаемое техническое решение / С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 04(108). С. 409–443. — IDA [article ID]: 1081504029. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/04/pdf/29.pdf, 2,188 у.п.л.

7.                  Лепшина А. И. Средства малой механизации как основа современного КФХ и ЛПХ в малых формах хозяйствования / А. И. Лепшина, С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 05(109). С. 392–415. — IDA [article ID]: 1091505024. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/24.pdf, 1,5 у.п.л.

8.                  Белоусов С. В. Связь науки и техники в области разработок машин для основной обработки почвы с оборотом пласта / С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 05(109). С. 468–486. — IDA [article ID]: 1091505027. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/27.pdf, 1,188 у.п.л.

9.                  Белоусов С. В. Разработка дополнительных рабочих органов лемешного плуга для совершенствования процесса основной обработки почвы с оборотом пласта, а также исследование его тягового сопротивления в составе машинотракторного агрегата [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Инновационные технологии в сельском хозяйстве: материалы междунар. науч. конф. (г. Москва, июнь 2015 г.). — М.: Буки-Веди, 2015. — С. 69–74.

10.              Белоусов С. В. Связь науки и техники в возделывании сельскохозяйственных культур при проектировании лемешного плуга [Текст] / С. В. Белоусов, Е. И. Трубилин, А. И. Лепшина // Актуальные вопросы технических наук: материалы III междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2015 г.). — Пермь: Зебра, 2015. — С. 150–155.

11.              Белоусов С. В. Междурядная обработка почвы инновационным опрыскивателем [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина, С. В. Скотников // Молодой ученый. — 2015. — № 7. — С. 1081–1086.

12.              Белоусов С. В. Определение тягового сопротивления при обработке дополнительным плоскорежущим рабочим органом [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Молодой ученый. — 2015. — № 8. — С. 194–199.

13.              Белоусов С. В. Плоскорежущие рабочие органы для обработки почвы с оборотом пласта [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Молодой ученый. — 2015. — № 10. — С. 158–161.

14.              Белоусов С. В. Конструкция плоскорежущего рабочего органа для основной обработки почвы [Текст] / С. В. Белоусов // Молодой ученый. — 2015. — № 11. — С. 269–272.

15.              Белоусов С. В. Конструкция комбинированного лемешного плуга и исследование его тягового сопротивления в составе машинотракторного агрегата [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Молодой ученый. — 2015. — № 5. — С. 217–221.

16.              Лепшина А. И. Способы внесения сухих не органических смесей и устройства для его осуществления [Текст] / А. И. Лепшина, С. В. Белоусов // Молодой ученый. — 2015. — № 6. — С. 342–344.