Россия
Россия
Россия
В ходе исследований рассматривались параметры бокового интервала от 300 до 620 мм с шагом 40 мм и ширина колеи трактора от 1450 до 1810 мм также с шагом 40 мм. Целью работы было повышение курсовой устойчивости мобильной вышки, применяемой для навешивания поддержек хмеля, что напрямую влияет на её эффективность и качество выполнения операций. В условиях хмельников с междурядьем 3,3 м установлено, что оптимальное соотношение параметров соответствует колее трактора 1610 ± 5 мм и боковому интервалу 420 ± 5 мм. При таких значениях устойчивость вышки возрастает в среднем на 10–12 %, а вероятность отклонения от ряда более чем на 20 см при движении по неровностям снижается. Использование мобильной вышки позволяет повысить производительность работ по установке поддержек в 2–3 раза по сравнению с ручным трудом. В Чувашском ГАУ была разработана вышка ножничного типа, которая агрегатируется с тракторами мощностью от 45 кВт. Полевые испытания показали, что её недостатком является увод от заданного курса при работе на неровностях, что снижает точность навешивания. Для устранения этой проблемы применялись методы статического и динамического анализа, учитывающие силы, действующие на вышку в горизонтальной плоскости. Результаты расчетов подтвердили, что увеличение бокового интервала и ширины колеи трактора приводит к росту смещения точки прицепа, тогда как расширение междурядья снижает этот эффект. Таким образом, полученные данные позволяют оптимизировать параметры вышки и трактора, обеспечивая повышение устойчивости, маневренности и качества работы на хмельниках.
мобильная вышка, хмелеводство, навешивание поддержек
Введение. Хмель относится к сельскохозяйственным культурам с небольшим объемом производства и является значимой отраслью сельского хозяйства, мировые площади его насаждений составляют более 51 тыс. га [1]. В России и в ряде европейских стран хмелеводство исторически остается важной сельскохозяйственной отраслью. В последние годы, в условиях экономических санкций и продуктового эмбарго, Россия столкнулась с проблемой импортозамещения, особенно в сельскохозяйственном секторе, включая производство хмеля.
В связи с этим специалисты все чаще обсуждают проблемы и перспективы развития хмелеводства в России и особенно в Чувашской Республике [2]. Эффективность производства хмеля напрямую зависит от своевременного и корректного выполнения технологических операций. Учитывая рост цен на энергоносители и материалы, внедрение более эффективных и экономически обоснованных технологий в производство хмеля становится все более важным.
Использование мобильной вышки для навешивания поддержек хмеля позволяет увеличить производительность работы на этой операции в 2-3 раза. Для частично механизированного процесса навешивания поддержек хмеля применяются вышки модели ВХ-4 и платформы ВГХ-5.2 [3]. Вышки для подвязки поддержек на шпалеры, разработанные и произведенные ранее, не соответствуют габаритам, установленным требованиями Правил дорожного движения РФ по ширине, также затрудняют передвижение через въездные ворота и мосты. Эта особенность сильно ограничивает их эксплуатацию в хозяйствах с разнесенными площадями хмельников и при транспортировке. При этом очень важно, чтобы наряду с разработкой новых машин, обеспечивающих стабильное устойчивое выполнение сельскохозяйственных операций, неукоснительно выполнялось одно из главных условий – снижение полных энергозатрат и увеличение безопасности [4].
Технологический процесс работы с вышкой выглядит следующим образом: на краю хмельника рабочие загружают пучки поддержек в направляющие кольца вышки. Рабочие извлекают концы поддержек из пучка и привязывают их к верхней продольной проволоке с интервалом 0,8 - 1 метра. При движении агрегата поддержки извлекаются из пучка и располагаются на шпалере. В Чувашском ГАУ разработана вышка для навешивания поддержек хмеля ножничного типа (рис. 1) [5].
Рис. 1 – Процесс навешивания поддержек
Главный недостаток конструкции состоит в том, что она обладает низкой эффективностью выполнения технологического процесса в связи с чрезмерным отклонением от ряда насаждений хмеля при уводе вышки от заданного курса, что приводит к снижению производительности операции навешивания поддержек хмеля. Поэтому повышение устойчивости движения является актуальной задачей при модернизации существующей вышки для навешивания поддержек.
Вышка может агрегатироваться с тракторами мощностью от 45 кВт, высота подъема ее рабочей площадки достигает 3,5 метра.
Цель исследований заключается в улучшении качественных показателей работы вышки для навешивания поддержек хмеля путем повышения ее курсовой устойчивости. Внедрение данной конструкции способствует повышению производительности операции навешивания поддержек хмеля, что позволит существенно снизить затраты на выращивание хмеля.
Материалы и методы.
Рассматриваемая вышка для навешивания поддержек хмеля предполагает регулируемую величину колеи: в рабочем положении – до 3,3 м (в зависимости от ширины междурядья хмельника), в транспортном положении - 2,5 м. Возможность регулируемого смещения точки прицепа потребуется для повышения продольной устойчивости движения вышки при работе.
Таким образом, при модернизации и проектировании необходимо выполнить установленные нормативные требования и стандарты при проведении расчётов устойчивости мобильных вышек для навешивания поддержек хмеля, для которых правильный учёт курсовой устойчивости имеет огромное значение [6, 7].
Микрорельеф хмельника имеет незначительное отклонение от среднего уровня, представим движение вышки для навешивания поддержек как плоскопараллельное, определяемое движением горизонтальной проекции на плоскость хмельника. Агрегат, как динамическая система, состоит из последовательно соединенных звеньев – трактора и вышки, которые связаны между собой шарнирно [8].
Данные для обоснования параметров вышки для навешивания поддержек обусловлены размерами схемы посадки хмеля (рис. 2).
Рис. 2 – Схема расположения элементов вышки в рядах хмеля: Δ – боковой интервал; bT – ширина колеи трактора; bМ – ширина междурядья хмельника; PT - сила тяги трактора; RL, RR – силы сопротивления перекатыванию, FT1, FT2 – силы сопротивления боковому сдвигу колес, ƖL, ƖR, l – плечи сил; 
- столб, ― ‑ ― ‑ ― - столбовой ряд, — - - — - - — - бесстолбовой (свободный) ряд.
Уравнение поступательной части движения вышки для навешивания поддержек можно записать в следующем виде:
, (1)
где m – масса машины, кг;
- производная модуля скорости поступательного движения агрегата по времени, м/с2;
PT - сила тяги трактора, Н;
RL, RR – силы сопротивления перекатыванию левого и правого опорных колес, приложенные к раме вышки для навешивания поддержек соответственно (здесь и далее индексы L и R относятся к левому и правому опорным колесам вышки соответственно), Н [9].
Для установления сущности нарушений устойчивости движения вышки для навешивания поддержек определим сумму моментов всех сил относительно точки прицепа (рис. 2), т.е.
, (2)
где ƖL, ƖR, l – плечи сил RL, RR, FT1+FT2 соответственно, м.;
FT1, FT2 – силы сопротивления почвы боковому сдвигу колес, Н.
Для равномерного поступательного движения вышки для навешивания поддержек необходимо соблюдение условия:
. (3)
При условии симметричности вышки и расположения прицепного дышла по центру рамы в горизонтальной плоскости, т.е. равенстве сил сопротивления перекатыванию колес и их плеч, действие сил сопротивления боковому сдвигу колес стремится к нулю при установившемся движении [10, 11].
Очевидно, что момент, создаваемый разницей плеч сил сопротивления качению правого и левого колес компенсируется силами сопротивления почвы боковому уводу, при этом курсовая устойчивость теряется и вышка перестает следовать заданному курсу. При конструировании вышки необходимо учитывать, что плечи ƖL и ƖR можно уравнять путем смещения точки прицепа на величину с. При движении агрегата устойчиво вдоль оси ряда хмеля, значение FT1+FT2 будет ничтожным, поскольку бокового увода колес в этом случае не произойдет.
Для соблюдения этого условия, учитывая параметры хмельника, потребуется смещение точки прицепа на величину с (рис. 2).
В этом случае выражение (2) примет вид:
, (4)
где PT – сила тяги на серьге трактора, Н;
c – величина смещения точки прицепа, мм.
Смещение точки прицепа на величину с позволит приблизить друг к другу значения сил сопротивления перекатыванию RL и RR, при отсутствии сил бокового сдвига. Рассчитав некоторую величину смещения точки прицепа с можно добиться повышения курсовой устойчивости движения вышки для навешивания поддержек вдоль ряда хмельника.
На современных хмельниках используется схема посадки с междурядьем 3.3 м [2]. При движении агрегата по междурядью во время операции навешивания поддержек во избежание повреждения насаждений хмеля необходимо выдерживать боковой интервал Δ (рис. 2). Для этого трактор снабжен маркером, который двигается над рядком хмеля.
Геометрически величина смещения точки прицепа на хмельниках с указанным междурядьем определяется как
, (5)
где bT – ширина колеи трактора, м;
bМ – ширина междурядья хмельника, м;
Δ – боковой интервал, м.
Выражение (5) позволяет подобрать значения величины точки прицепа c в зависимости от ширины колеи трактора и выбранного бокового интервала при выполнении операции навешивания поддержек на хмельниках. Таким образом обеспечивается поперечная устойчивость вышки для комфортной и безопасной работы персонала, отсутствует наезд опорных колес трактора и вышки на рядки хмеля.
Технологическая колея вышки для навешивания поддержек соответствует ширине междурядья bM.
На тракторах МТЗ–82 расстояние между соседними технологическими отверстиями прицепной скобы составляет 80 мм. Исходя из этих соображений предусматриваем величину смещения точки прицепа с. Практика показала, что увеличение ее более чем на 200 мм негативно сказывается на курсовой устойчивости трактора [10].
Полученные выражения справедливы для любых значений ширины междурядья хмельников. Как показали результаты наших экспериментов, путем установления оптимальных соотношений бокового интервала и колеи трактора можно добиться значений смещения точки прицепа, кратных 80 мм и, как следствие, равномерное движение агрегата.
Результаты исследований и их обсуждение.
Для наиболее часто используемых значений ширины междурядья хмельников 3,3 м была построена поверхность по формуле (5), описывающая влияние установленной колеи трактора bT и бокового интервала Δ на величину смещения точки прицепа с, которая должна быть кратна 80 мм - расстоянию между соседними технологическими отверстиями прицепной скобы (рис. 3).
Рис. 3 – Влияние колеи трактора и бокового интервала на величину смещения точки прицепа
Колея трактора регулируется согласно его инструкции по эксплуатации. Был рассмотрен максимально возможный ее диапазон.
Экспериментально было установлено, что при значениях Δ меньше 300 мм происходит наезд колеса на рядок насаждений хмеля, что недопустимо, максимум бокового интервала не ограничен. Оптимальным для маневрирования значением является Δ = 500 мм.
Наименьшая величина колеи трактора (bT = 1450 мм) соответствовала нулевому смещению точки прицепа при значениях бокового интервала Δ, близких к 460 мм, наибольшая (bT = 1930 мм) – при 340 мм.
В рассматриваемом диапазоне колеи трактора практический интерес представляют те значения, при которых обеспечивается смещение точки прицепа, кратное 80 мм. Таковыми являются значения 1450, 1610, 1770 и 1930 мм (рис. 4).
Рис. 4 – Двухмерное сечение поверхности для выбранных значений колеи: bT – колея трактора, мм, Δ – боковой интервал, мм, с - смещение точки прицепа, мм.
Оптимальному значению Δ = 500 мм соответствует значение колеи трактора 1450 мм, требующее смещения точки прицепа на 80 мм. Однако минимальное значение колеи трактора с прицепной вышкой для навешивания поддержек при использовани на хмельниках со сложным микрорельефом, имеющим существенные неровности, сказывается отрицательно на курсовой устойчивости агрегата. Тогда колея трактора bT = 1610 мм обеспечит устойчивочть при величине смещеня точки прицепа 160 мм. На хмельниках с умеренными неровностями допустимо выполнять операцию навешивания поддержек при значении бокового интервала Δ = 460 мм [2]. В этом случае колея bT = 1610 мм обеспечит смещение точки прицепа с = 80 мм, а bT = 1770 мм - с = 160 мм.
Эти значения следует учесть также при определении начальных параметров параллелограммного механизма подъема, высоты поручней и ширины корзины для персонала.
Полученные результаты позволяют рекомендовать использование смещения точки прицепа, кратного 80 мм, для обеспечения равномерного движения вышки для навешивания поддержек и повышения курсовой устойчивости агрегата. Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение влияния других параметров, таких как скорость движения агрегата и тип почвы, на курсовую устойчивость.
Выводы.
Смещение точки прицепа оказывает компенсирующее влияние на курсовую устойчивость движения прицепной вышки для навешивания поддержек хмеля. При оптимальном значении бокового интервала Δ = 500 мм смещение точки прицепа с = 80 мм возможно с колеей трактора bT = 1450 мм. На практике микрорельеф поля влияет на курсовую устойчивость трактора, поэтому рекомендуется использовать увеличенные значения колеи. Теоретические расчеты показали наибольшую целесообразность использования колеи bT = 1610 мм с боковым интервалом Δ = 460 или 500 мм, что соответствует смещению точки прицепа с = 80 или 160 мм соответственно. На практике погрешности установки колеи, а также соблюдения бокового интервала составляют не более ± 5 мм. Таким образом оптимальным соотношением для устойчивого движения является сочетание колеи трактора 1610 ± 5 мм и бокового интервала 420 ± 5 мм.
1. Машинные технологии для возделывания хмеля / Ю. П. Дмитриев, В. И. Медведев, А. П. Акимов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2018. Т. 13. № 2(49). С. 86-92. doihttps://doi.org/10.12737/article_5b3506e7938e47.51294573.
2. К вопросу оптимизации системы шпалерного сооружения на хмельнике / Ю. П. Дмитриев, С. Ю. Дмитриев, В. А. Андреев и др. // Вестник Чувашского государственного аграрного университета. 2023. № 3(26). С. 146-153. doi:https://doi.org/10.48612/vch/e3m9-6449-9bfa.
3. Development and research of the tower for hanging supports on hop-gardens / P. A. Smirnov, A. O. Vasiliev, R. V. Andreev et al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : International Scientific Conference Interstroymeh - 2019, ISM 2019, Kazan, 12–13 сентября 2019 года. 2020. Vol. 786. – P. 012061. doihttps://doi.org/10.1088/1757-899X/786/1/012061.
4. A novel concept of convertible roofs with high transformability consisting of planar scissor-hinge structures / Y. Akgün, C. J. Gantes, K. E. Kalochairetis, G. Kiper // Engineering Structures. 2010. Vol. 32. No. 9. P. 2873-2883. doi:https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.05.006.
5. Метод выявления потери устойчивости движения тракторов при реализации тягового усилия на прицеп или сцепной агрегат / М. М. Жилейкин, П. В. Сиротин, С. С. Носиков, Н. Н. Пуляев // Тракторы и сельхозмашины. 2023. № 1. С. 39-48.
6. Результаты моделирования устойчивости движения сельскохозяйственного агрегата к внешним воздействиям / Н. В. Сергеев, С. Е. Сенькевич, М. Е. Чаплыгин, Р. А. Попов // Таврический вестник аграрной науки. 2025. № 2(42). С. 246-261. doi:https://doi.org/10.5281/zenodo.16564005.
7. Влияние жесткости навесной системы на устойчивость криволинейного движения машинно-тракторного агрегата / А. Н. Беляев, Д. Н. Афоничев, Т. В. Тришина и др. // Наука в центральной России. 2023. № 2(62). С. 115-126. doi:https://doi.org/10.35887/2305-2538-2023-2-115-126.
8. Кирсанов М. Н. Аналитический расчет параллелограммного механизма с произвольным числом секций // Вестник машиностроения. 2018. № 1. С. 37-39.
9. Studies on Correction of the Trajectory of a Tractor Train / A. Kushnarev, A. Shuravin, E. Kuznetsov [et al.] // Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East : Agricultural Innovation Systems, Volume 1, Volozhenin, 21–22 июня 2021 года. Vol. 353. Ussuriysk: Springer, 2022. P. 28-35. – doi:https://doi.org/10.1007/978-3-030-91402-8_4.
10. Оценка соответствия колеи трактора с междурядьем посевов / А. А. Ахметов, Б. А. Камбаров, Д. У. Камбарова, Ж. А. Султанов // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2023. Т. 17. № 3. С. 48-53. doi:https://doi.org/10.22314/2073759920231734853.
11. Sliding-crawling parallelogram mechanism / Y. Tian, Y. A. Yao, X. Wei, A. Joneja // Mechanism and Machine Theory. 2014. Vol. 78. P. 201-228. doihttps://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2014.03.013.
