Техніка та енергетика

Аналіз деформаційних характеристик пружинних елементів ґрунтообробних знарядь під дією динамічних навантажень

Анатолій Рудь
Завантажити статтю
Анотація

Дослідження проведено з метою оцінки впливу динамічних навантажень на деформаційні характеристики пружинних елементів ґрунтообробних знарядь з урахуванням оптимізації їх конструкції та підвищення довговічності. Здійснено аналіз впливу динамічних навантажень на пружинні елементи з урахуванням їх матеріальних характеристик і конструктивних особливостей. У ході дослідження було встановлено, що пружинні елементи ґрунтообробних знарядь зазнають значних деформацій під дією динамічних навантажень, що виникають через нерівності ґрунту, коливання та ударні сили. Аналіз показав, що пружини з більшою жорсткістю демонструють меншу схильність до пластичних деформацій, але при цьому можуть спричиняти більш високі пікові навантаження на конструкцію знаряддя. Визначено, що матеріали з підвищеною пружністю та високим рівнем втомної міцності забезпечують кращу здатність до відновлення після деформацій, що зменшує ризик поломок у процесі експлуатації. Результати моделювання за допомогою методу кінцевих елементів показали, що резонансні частоти пружинних елементів можуть негативно впливати на їхню ефективність, спричиняючи додаткові коливання й знос. Встановлено, що оптимізація геометрії пружин дозволяє значно зменшити амплітуду цих коливань. Також було виявлено, що використання пружин з комбінованою конструкцією, що поєднує різні матеріали та геометричні форми, дозволяє значно покращити амортизацію і зменшити вплив динамічних навантажень на конструкцію знаряддя. Крім того, дослідження показало, що правильно підібрані параметри пружин, такі як їхня жорсткість і ступінь відновлення, дозволяють оптимізувати роботу ґрунтообробних знарядь, збільшуючи ефективність їх застосування в різних агротехнічних умовах

Ключові слова

жорсткість, матеріали, втомна міцність, метод кінцевих елементів, амортизація

ЦИТУВАТИ
Rud, A. (2025). Analysis of deformation characteristics of spring elements of tillage tools under dynamic loads. Machinery & Energetics, 16(1), 43-53. https://doi.org/10.31548/machinery/1.2025.43
Використані джерела

[1] Akhoondi, M.R., & Behnamfar, F. (2021). Seismic fragility curves of steel structures including soil-structure interaction and variation of soil parameters. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 143, article number 106609. doi: 10.1016/j.soildyn.2021.106609.

[2] Astakhov, V., Yeremenko, О., & Volkov, S. (2023). Criterion of critical levels of internal potential energy of body deformation in solving problems of structural mechanics. Mining Journal of Kryvyi Rih National University, 21(1), 54-60.

[3] Ballo, F., Carboni, M., Mastinu, G., & Previati, G. (2022). Wires for spring construction: Full scale fatigue experimental tests. Meccanica, 57, 213-228. doi: 10.1007/s11012-021-01448-7.

[4] Baran, R., Michalczyk, K., & Warzecha, M. (2023). Experimental analysis of transverse stiffness distribution of helical compression springs. Acta Mechanica et Automatica, 17(1), 95-103. doi: 10.2478/ama-2023-0011.

[5] Boiko, P., & Kovalenko, N. (2024). Improvement of technologies for growing high-product varieties of winter wheat in scientifically based crop rotations under the conditions of climate change. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 20(1). doi: 10.31548/dopovidi.1(107).2024.012.

[6] Bulgakov, V., Adamchuk, V., Arak, M., Nadykto, V., Kyurchev, V., & Olt, J. (2016). Theory of vertical oscillations and dynamic stability of combined tractor-implement unit. Agronomy Research, 14(3), 689-710.

[7] Bulgakov, V., Pascuzzi, S., Adamchuk, V., Kuvachov, V., & Nozdrovicky, L. (2019). Theoretical study of transverse offsets of wide span tractor working implements and their influence on damage to row crops. Agriculture (Switzerland), 9(7), article number 144. doi: 10.3390/agriculture9070144.

[8] Chen, L., Xing, W., Wu, L., Chong, J., Lei, T., Jiang, Q., & Tang, Y. (2022). Understanding multiple parameters affecting static and dynamic performances of composite helical springs. Journal of Materials Research and Technology, 20, 532-550. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.07.120.

[9] Chygyryns’kyy, V.V., Shevchenko, V.G., Mamuzic, I., & Belikov, S.B. (2010). A new solution of the harmonic functions in the theory of elasticity. Materiali in Tehnologije, 44(4), 219-222.

[10] Damanauskas, V., & Janulevičius, A. (2022). Effect of tillage implement (spring tine cultivator, disc harrow), soil texture, forward speed, and tillage depth on fuel consumption and tillage quality. Journal of Agricultural Engineering, 53(3). doi: 10.4081/jae.2022.1371.

[11] Guo, Z., Qiu, Y., Yan, X., Wang, J., Zhang, Y., Zhang, P., & Zhang, F. (2023). Self-excited-resonance of soil-engaging surface spectrum: A new method of soil cutting resistance reduction. Agriculture, 13(6), article number 1154. doi: 10.3390/agriculture13061154.

[12] Jia, F., Dong, F., Ma, S., Shen, J., & Liu, Z. (2024). Vibratory compaction characteristics of the subgrade under cyclical loading based on finite element simulation. Construction and Building Materials, 419, article number 135378. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2024.135378.

[13] Karnaukh, S.G., Markov, O.E., Aliieva, L.I., & Kukhar, V.V. (2020). Designing and researching of the equipment for cutting by breaking of rolled stock. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 109(9-12), 2457-2464. doi: 10.1007/s00170-020-05824-7.

[14] Kešner, A., Chotěborský, R., Linda, M., Hromasová, M., Katinas, E., & Sutanto, H. (2021). Stress distribution on a soil tillage machine frame segment with a chisel shank simulated using discrete element and finite element methods and validate by experiment. Biosystems Engineering, 209, 125-138. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2021.06.012.

[15] Koval, Y.M., Kutsova, V.Z., Kotova, T.V., & Kovzel, M.A. (2021). Forecast and control of structure and properties of ultra-low-carbon steels. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 43(6), 753-768. doi: 10.15407/mfint.43.06.0753.

[16] Lahre, P., Meshram, K., Kumar, S., Choubey, R.K., Kumar, R., & Patel, A.K. (2024). Unveiling advanced modelling and analysis: The integrated system and formula for mass-spring-damper with hydraulic damper systems. Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design, 7(3), 2189-2205. doi: 10.1007/s41939-023-00317-y.

[17] Li, Y., Zhou, C., Cao, Q., Wang, X., Qiao, D., & Tao, K. (2021). Electromagnetic vibration energy harvester with tunable resonance frequency based on stress modulation of flexible springs. Micromachines, 12(9), article number 1130. doi: 10.3390/mi12091130.

[18] Marchuk, A.V., & Nishchota, A.V. (2018). On the strain-stress state of locally loaded layered composite slabs. International Applied Mechanics, 54(3), 315-330. doi: 10.1007/s10778-018-0883-1.

[19] Mikha, M.M., Green, T.R., Untiedt, T.J., & Hergret, G.W. (2024). Land management affects soil structural stability: Multi-index principal component analyses of treatment interactions. Soil and Tillage Research, 235, article number 105890. doi: 10.1016/j.still.2023.105890.

[20] Padalka, V., Liashenko, S., Kalinichenko, A., Burlaka, O., Sakalo, V., & Padalka, Y. (2021). Modeling of resonance phenomena in self-oscillating system of agricultural machines. In Proceedings of the IEEE international conference on modern electrical and energy systems (pp. 1-6). Kremenchuk: IEEE. doi: 10.1109/MEES52427.2021.9598763.

[21] Pagoli, A., Chapelle, F., Corrales-Ramon, J.A., Mezouar, Y., & Lapusta, Y. (2021). Review of soft fluidic actuators: Classification and materials modeling analysis. Smart Materials and Structures, 31(1), article number 013001. doi: 10.1088/1361-665X/ac383a.

[22] Petrich, M., Reich, R., & Kletzin, U. (2021). Development of fatigue strength diagrams for helical compression springs made of spring steel wire. Retrieved from https://umformtechnik.net/wire/Content/Research-Development/Development-of-fatigue-strength-diagrams-for-helical-compression-springs-made-of-spring-steel-wire.

[23] Saeed, A.S., Abdul Nasar, R., & AL-Shudeifat, M.A. (2023). A review on nonlinear energy sinks: Designs, analysis and applications of impact and rotary types. Nonlinear Dynamics, 111(1), 1-37. doi: 10.1007/s11071-022-08094-y.

[24] Shakir, H.M., Al-Azzawi, A.A., & Al-Tameemi, A.F. (2022). Nonlinear finite element analysis of fiber reinforced concrete pavement under dynamic loading. Journal of Engineering, 28(2), 81-98. doi: 10.31026/j.eng.2022.02.06.

[25] Su, Z., Li, J., Zhang, Z., Ren, S., Shi, Y., & Wang, X. (2023). Analysis of the mechanical properties and wear characteristics of nail teeth based on sowing layer residual film recovery machine. Engineering Failure Analysis, 143, article number 106869. doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106869.

[26] Sui, Q., He, M., He, P., Xia, M., & Tao, Z. (2022). State of the art review of the large deformation rock bolts. Underground Space, 7(3), 465-482. doi: 10.1016/j.undsp.2021.11.001.

[27] ul Haq, M.R., Nazir, A., & Jeng, J.Y. (2021). Design for additive manufacturing of variable dimension wave springs analyzed using experimental and finite element methods. Additive Manufacturing, 44, article number 102032. doi: 10.1016/j.addma.2021.102032.

[28] Walunj, A., Chen, Y., Tian, Y., & Zeng, Z. (2023). Modeling soil-plant-machine dynamics using discrete element method: A review. Agronomy, 13(5), article number 1260. doi: 10.3390/agronomy13051260.

[29] Wang, T., & Zhu, S. (2021). Resonant frequency reduction of vertical vibration energy harvester by using negative-stiffness magnetic spring. IEEE Transactions on Magnetics, 57(9), article number 4002007. doi: 10.1109/TMAG.2021.3095589.

[30] Wang, W., Fang, C., Shen, D., Zhang, R., Ding, J., & Wu, H. (2021). Performance assessment of disc spring-based self-centering braces for seismic hazard mitigation. Engineering Structures, 242, article number 112527. doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112527.

[31] Wang, X., Zhou, H., Wang, S., Zhou, H., & Ji, J. (2023). Methods for reducing the tillage force of subsoiling tools: A review. Soil and Tillage Research, 229, article number 105676. doi: 10.1016/j.still.2023.105676.

[32] Wang, Z., Ye, R., Singh, S.S., Wu, S., & Zhao, X. (2024). Modelling and fatigue reliability investigation on wear prediction of piston/cylinder pair based on friction fatigue mechanism. Tribology International, 194, article number 109485. doi: 10.1016/j.triboint.2024.109485.

[33] Więckowski, D., Dąbrowski, K., & Ślaski, G. (2018). Adjustable shock absorber characteristics testing and modelling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 421, article number 022039. doi: 10.1088/1757-899X/421/2/022039.

[34] Wu, J., & Titurus, B. (2021). Damping augmentation of a rotating beam-tendon system via internally placed spring-damper elements. Journal of Sound and Vibration, 510, article number 116315. doi: 10.1016/j.jsv.2021.116315.

[35] Wu, M.Y., Yin, H., Li, X.B., Lv, J.C., Liang, G.Q., & Wei, Y.T. (2022). A new dynamic stiffness model with hysteresis of air springs based on thermodynamics. Journal of Sound and Vibration, 521, article number 116693. doi: 10.1016/j.jsv.2021.116693.

[36] Xu, C., Xie, F., Zhou, R., Huang, X., Cheng, W., Tian, Z., & Li, Z. (2023). Vibration analysis and control of semi-active suspension system based on continuous damping control shock absorber. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 45(6), article number 341. doi: 10.1007/s40430-023-04183-0.

[37] Yetgin, A., Karakaş, A., Acar, B., & Özaslan, E. (2024). Failure analysis of a helical compression spring with relatively low spring index. Engineering Failure Analysis, 165, article number 108798. doi: 10.1016/j.engfailanal.2024.108798.

[38] Yildirim, M.C., Sendur, P., Kansizoglu, A.T., Uras, U., Bilgin, O., Emre, S., Yapici, G.G., Arik, M., & Ugurlu, B. (2021). Design and development of a durable series elastic actuator with an optimized spring topology. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 235(24), 7848-7858. doi: 10.1177/09544062211020337.

[39] Zhang, J., Xia, M., Chen, W., Yuan, D., Wu, C., & Zhu, J. (2023). Simulation analysis and experiments for blade-soil-straw interaction under deep ploughing based on the discrete element method. Agriculture, 13(1), article number 136. doi: 10.3390/agriculture13010136.

[40] Zhang, J., Yao, H., Chen, L., Zheng, E., Zhu, Y., & Xue, J. (2022). Vibration characteristics analysis and suspension parameter optimization of tractor/implement system with front axle suspension under ploughing operation condition. Journal of Terramechanics, 102, 49-64. doi: 10.1016/j.jterra.2022.05.001.

[41] Zhang, X., Dong, M., Cai, X., Chen, D., Xian, Y., Zheng, X., Guo, Z., & Algadi, H. (2023). Progress in machining-induced residual stress and microstructural evolution of inhomogeneous materials and composites. Advanced Composites and Hybrid Materials, 6(3), article number 122. doi: 10.1007/s42114-023-00698-1.

[42] Zhang, X., Zhang, L., Hu, X., Wang, H., Shi, X., & Ma, X. (2022). Simulation of soil cutting and power consumption optimization of a typical rotary tillage soil blade. Applied Sciences, 12(16), article number 8177. doi: 10.3390/app12168177.

[43] Zheng, Y., Zhang, W., Zhang, C., Fu, Y., Shi, J., & Du, X. (2023). Quasi-static cyclic loading experiment and analysis of mechanical properties of the Sc-FSB. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 174, article number 108146. doi: 10.1016/j.soildyn.2023.108146.