Техніка та енергетика

Оптимізація конструкційних параметрів ротаційних ґрунтообробних агрегатів для підвищення стійкості роботи під дією змінних навантажень

Василь Грубань, Антоніна Панфілова, Антоніна Галєєва, Микита Храмов
Завантажити статтю
Анотація

Дослідження проведено для підвищення стійкості ротаційних ґрунтообробних агрегатів шляхом оптимізації їх конструкційних параметрів з урахуванням змінних навантажень. Виявлено, що стійкість ротаційних ґрунтообробних агрегатів під дією змінних навантажень залежить від таких конструктивних параметрів, як геометрія та матеріал робочих органів, впровадження віброзахисних елементів. Визначено, що оптимальний кут атаки (від 20 до 30 градусів) робочих органів дозволяє знижувати опір ґрунту, що, своєю чергою, сприяє рівномірному розподілу навантажень по робочим елементам агрегату. Зміна радіусу кривизни робочих органів дозволяє знизити концентрацію напружень, що підвищує довговічність робочих елементів і зменшує їх зношення під час експлуатації. Аналіз механічних властивостей матеріалів показав, що використання спеціальних легованих сталей, що містять хром та марганець, підвищує зносостійкість робочих органів агрегатів, дозволяє зменшити частоту обслуговування, подовжити термін служби. Впровадження гумових амортизаторів у конструкцію вузлів кріплення допомогло зменшити амплітуду вібрацій і таким чином покращити стабільність роботи агрегату в процесі обробітку ґрунту. Аналіз роботи модернізованих агрегатів показав підвищення продуктивності та зменшення витрат пального. Покращення якості обробітку ґрунту досягнуто завдяки рівномірному розподілу глибини культивації та зменшенню рівня ущільнення ґрунту, що позитивно впливає на умови вирощування сільськогосподарських культур. Отже, оптимізація конструкційних параметрів ротаційних ґрунтообробних агрегатів дозволить підвищити їх стійкість до змінних навантажень, знизити експлуатаційні витрати, збільшити ефективність роботи та забезпечити довговічну й енергоефективну експлуатацію в умовах складних геологічних процесів

Ключові слова

геометрія лез, леговані сталі, зносостійкість, демпфуючі елементи, амортизатори

ЦИТУВАТИ
Hruban, V., Panfilova, A., Galeeva, A., & Khramov, M. (2025). Optimisation of structural parameters of rotary tillage units to increase the stability of operation under the influence of variable loads. Machinery & Energetics, 16(1), 65-80. https://doi.org/10.31548/machinery/1.2025.65
Використані джерела

[1] Acernese, A., Del Vecchio, C., Tipaldi, M., Battilani, N., & Glielmo, L. (2021). Condition-based maintenance: An industrial application on rotary machines. Journal of Quality in Maintenance Engineering, 27(4), 565-585. doi: 10.1108/JQME-10-2019-0101.

[2] Adamchuk, V., Bulgakov, V., Nadykto, V., Ihnatiev, Y., & Olt, J. (2016). Theoretical research into the power and energy performance of agricultural tractors. Agronomy Research, 14(5), 1511-1518.

[3] Aramide, B., Pityana, S., Sadiku, R., Jamiru, T., & Popoola, P. (2021). Improving the durability of tillage tools through surface modification – a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 116(1), 83-98. doi: 10.1007/s00170-021-07487-4.

[4] Askari, M., Abbaspour-Gilandeh, Y., Taghinezhad, E., Hegazy, R., & Okasha, M. (2022). Prediction and optimizing the multiple responses of the overall energy efficiency (OEE) of a tractor-implement system using response surface methodology. Journal of Terramechanics, 103, 11-17. doi: 10.1016/j.jterra.2022.06.003.

[5] Bossy, C. (2021). What’s new in EDEM 2021. Retrieved from https://community.altair.com/discussion/32920/whats-new-in-edem-2021.

[6] Budak, V. D., Grigorenko, A. Y., Borisenko, M. Y., & Vasil’eva, L. Y. (2017). Natural frequencies and modes of noncircular cylindrical shells with variable thickness. International Applied Mechanics, 53, 164-172. doi: 10.1007/s10778-017-0802-x.

[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] Du, J., Heng, Y., Zheng, K., Luo, C., Zhu, Y., Zhang, J., & Xia, J. (2022). Investigation of the burial and mixing performance of a rotary tiller using discrete element method. Soil and Tillage Research, 220, article number 105349. doi: 10.1016/j.still.2022.105349.

[9] Dubovoy, O.M., Karpechenko, A.A., Bobrov, M.M., Gerasin, O.S., & Lymar, O.O. (2021). Electric arc spraying of cermet coatings of steel 65G-TIC system. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2, 63-68. doi: 10.33271/nvngu/2021-2/063.

[10] Dykha, A.V., Marchenko, D.D. & Dytynyuk, V. A. (2020). Determination of the parameters of the wear law based on the results of laboratory tests. Journal of Friction and Wear, 41, 153-159. doi: 10.3103/S1068366620020038.

[11] Gao, Y., Yang, Y., Fu, S., Feng, K., Han, X., Hu, Y., Zhu, Q., & Wei, X. (2024). Analysis of vibration characteristics of tractor – rotary cultivator combination based on time domain and frequency domain. Agriculture, 14(7), article number 1139. doi: 10.3390/agriculture14071139.

[12] Grigorenko, O.Y., Borisenko, M.Y., Boichuk, O.V., & Vasileva, L.Y. (2021). Free vibrations of triangular plates with a hole. International Applied Mechanics, 57(5), 534-542. doi: 10.1007/s10778-021-01104-3.

[13] Havrylenko, Y., Kholodniak, Y., Halko, S., Vershkov, O., Miroshnyk, O., Suprun, O., Dereza, O., Shchur, T., & Śrutek, M. (2021). Representation of a monotone curve by a contour with regular change in curvature. Entropy, 23(7), article number 923. doi: 10.3390/e23070923.

[14] Jaiswal, P., & Barve, S. (2022). Utilization of composite materials for engine mounts & different vehicle structures: A review. AIP Conference Proceedings, 2421, article number 040007. doi: 10.1063/5.0078199.

[15] Kalimullin, M., Bagautdinov, R., Khamitov, R., Latypov, R., Salimzyanov, M., & Abdrakhmanov, R. (2021). Development and theoretical study of the impact of the working body on the soil. BIO Web of Conferences, 37, article number 00077. doi: 10.1051/bioconf/20213700077.

[16] Khlivnyi, V., & Bazilo, C. (2023). Influence of operating parameters of hydroabrasive cutting of various materials on the accuracy of observing the cutting width. Bulletin of Cherkasy State Technological University, 28(2), 38-49. doi: 10.24025/2306-4412.2.2023.280719.

[17] Kluczyk, M., Grządziela, A., Pająk, M., Muślewski, Ł., & Szeleziński, A. (2022). The fatigue wear process of rubber-metal shock absorbers. Polymers, 14(6), article number 1186. doi: 10.3390/polym14061186.

[18] Kumari, A., & Raheman, H. (2023). Effect of throttle position and gear selection on specific energy requirement and power utilization efficiency of a tractor drawn rotavator in sandy clay loam soil. Journal of The Institution of Engineers (India): Series A, 104(4), 819-829. doi: 10.1007/s40030-023-00765-2.

[19] Liu, R., Dobriban, E., Hou, Z., & Qian, K. (2022). Dynamic load identification for mechanical systems: A review. Archives of Computational Methods in Engineering, 29(2), 831-863. doi: 10.1007/s11831-021-09594-7.

[20] Locs, S., Boiko, I., Leitans, A., & Drozdovs, P. (2017). Experimental study of coaxial laser cladding of tool steel. Engineering for Rural Development, 16, 1038-1046. doi: 10.22616/ERDev2017.16.N219.

[21] Long, Z., Jianhai, M., & Shuang, L. (2023). Research on a universal no tillage seeder for wheat and corn. Journal of Engineering Mechanics and Machinery, 8(2), 67-71. doi: 10.23977/jemm.2023.080210.

[22] Mandal, S.K., Bhattacharyya, B., Mukherjee, S., & Karmakar, S. (2021). Design optimisation of rotary tiller blade towards service life enhancement. Journal of Manufacturing Engineering, 16(4), 115-123. doi: 10.37255/jme.v16i4pp115-123.

[23] Marchenko, D., & Kurepin, V. (2021). Regularities in the formation of wear-resistant coatings on steel samples when machining them with electrical discharge. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12(113), 83-90. doi: 10.15587/1729-4061.2021.243374.

[24] Melnyk, L. (2024). Enhanced impact strength of glyptal resin composites with red mud: A comparative study of incorporation methods. Technologies and Engineering, 25(6), 61-68. doi: 10.30857/2786-5371.2024.6.6.

[25] Panchenko, A., Voloshina, A., Panchenko, I., Titova, O., & Pastushenko, A. (2019). Reliability design of rotors for orbital hydraulic motors. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 708, article number 012017. doi: 10.1088/1757-899X/708/1/012017

[26] Pandey, D., Rangera, D., Bhatia, D., Singh, G., & Chaudhary, R. (2021). Design optimization and static force analysis of L-type rotary tiller blade. In B.B. Deepak, D.R. Parhi & B.B. Biswal (Eds.), Advanced manufacturing systems and innovative product design (pp. 147-162). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-15-9853-1_13.

[27] Panfilova, A., Korhova, M., & Markova, N. (2019). Optimization of elements of the technology of Triticum aestivum L. cultivation kolchuga variety in the conditions southern steppe of Ukraine. AgroLife Scientific Journal, 8(2), 112-121.

[28] Power Tillers EL Series. (2023). Retrieved from https://ds-cdn-media.cwsplatform.com/413/images/2023/11/706468US_POWER-TILLERS_US_WEB.pdf.

[29] Pylypaka, S., Khropost, V., Volina, T., Kresan, T., Hryshchenko, I., Babka, V., Rybenko, I., & Rebriy, A. (2024). Features of bending of curvilinear absolutely elastic bars. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 20(3). doi: 10.31548/dopovidi.3(109).2024.019.

[30] Ravshanov, K., Mamatov, F., Mukimov, B., Sultonov, R., Abdullayev, A., & Murtazaeva, G. (2021). Study on combined machine for the subsurface soil treatment. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 939, article number 012065. doi: 10.1088/1755-1315/939/1/012065.

[31] Sanaei, N., & Fatemi, A. (2021). Defects in additive manufactured metals and their effect on fatigue performance: A state-of-the-art review. Progress in Materials Science, 117, article number 100724. doi: 10.1016/j.pmatsci.2020.100724.

[32] Shang, J., Liu, D., Song, X., Han, Y., He, S., Zhang, Y., Liu, L., & Chen, H. (2024). Sowing depth stability analysis and test verification of no-tillage planter parallel 4-bar row unit. Heliyon, 10(19), article number e36721. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e36721.

[33] Shevchenko, I., Golub, G., Tsyvenkova, N., Shevchenko, I., Titova, L., Omarov, I., Sukmaniuk, O., Kulykivskyi, V., Borovsky, V., & Zayets, M. (2024). Substantiating the structural and technological parameters of tillage rotary x-like working bodies. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 130(1), 45-58. doi: 10.15587/1729-4061.2024.309756.

[34] Shvedchykova, I., Panasiuk, I., Soloshych, I., & Malyi, Ya. (2024). Research of the electrical characteristics of fuel elements as a power source for the innovative development of environmentally safe transport. Technologies and Engineering, 25(4), 125-133. doi: 10.30857/2786-5371.2024.4.12.

[35] Singh, A., Nawayseh, N., Samuel, S., Dhabi, Y.K., & Singh, H. (2023). Real‐time vibration monitoring and analysis of agricultural tractor drivers using an IoT‐based system. Journal of Field Robotics, 40(7), 1723-1738. doi: 10.1002/rob.22206.

[36] Stavinskiy, A., Vakhonina, L., Martynenko, V., Mardziavko, V., & Rudenko, А. (2024). The use of surface strengthening to increase the wear resistance of working bodies of agricultural machines. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 28(2), 21-32. doi: 10.56407/bs.agrarian/2.2024.21.

[37] Sun, J., Wang, Z., Du, Y., Zhang, E., Gan, H., Sun, D., & Niu, W. (2022). Optimized tillage improves yield and energy efficiency while reducing carbon footprint in winter wheat-summer maize rotation systems. Science of the Total Environment, 820, article number 153278. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.153278.

[38] Torotwa, I., Ding, Q., Awuah, E., & He, R. (2023). Biomimetic tool design improves tillage efficiency, seedbed quality, and straw incorporation during rototilling in conservation farming. Journal of Agricultural Engineering, 54(1), article number 1327. doi: 10.4081/jae.2023.1327.

[39] Tulaganova, L., Yunushuzhaev, S., & Juraeva, G. (2022). Improving the wear resistance and durability of cultivator tools. Journal of Physics: Conference Series, 2373, article number 022026. doi: 10.1088/1742-6596/2373/2/022026.

[40] Types of spring. (2022). Retrieved from https://www.linkedin.com/pulse/types-spring-manufastindia.

[41] Vidaković, I., Heffer, G., Šimunović, K., & Rozing, G. (2021). Application of heat treatment in wear protection for working parts of agricultural machinery. In S. Jozić, B. Lela & N. Gjeldum (Eds.), Proceedings of the 10th international conference mechanical technologies and structural materials (pp. 159-164). Split: Croatian Society for Materials Protection.

[42] Wang, Y., Li, D., Nie, C., Gong, P., Yang, J., Hu, Z., Li, B., & Ma, M. (2023). Research progress on the wear resistance of key components in agricultural machinery. Materials, 16(24), article number 7646. doi: 10.3390/ma16247646.

[43] Xu, Z., Qi, H., Gao, P., Wang, S., Liu, X., & Ma, Y. (2024). Biomimetic design of soil-engaging components: A review. Biomimetics, 9(6), article number 358. doi: 10.3390/biomimetics9060358.

[44] Yang, Y., Tong, J., Huang, Y., Li, J., & Jiang, X. (2021). Biomimetic rotary tillage blade design for reduced torque and energy requirement. Applied Bionics and Biomechanics, 2021(1), article number 8573897. doi: 10.1155/2021/8573897.

[45] Zhai, S., Shi, Y., Zhou, J., Liu, J., Huang, D., Zou, A., & Jiang, P. (2022). Simulation optimization and experimental study of the working performance of a vertical rotary tiller based on the discrete element method. Actuators, 11(12), article number 342. doi: 10.3390/act11120342.

[46] Zhang, H., Ni, H., Wang, Z., Huang, B., Liu, S., Xu, X., & Liu, C. (2022). Discrete element modeling and simulation study on cutting rock behavior under spring-mass-damper system loading. Journal of Petroleum Science and Engineering, 209, article number 109872. doi: 10.1016/j.petrol.2021.109872.

[47] Zhang, J., Feng, G., Yan, X., He, Y., Liu, M., & Xu, L. (2024a). Cooperative control method considering efficiency and tracking performance for unmanned hybrid tractor based on rotary tillage prediction. Energy, 288, article number 129874. doi: 10.1016/j.energy.2023.129874.

[48] Zhang, S., Huang, Y., Gao, X., Bi, Y., Dong, J., Zhao, H., Zhao, P., & Jia, X. (2025). Evaluating the influence of straight-plain types of rotary tiller blades with various edge curves on maize residue using DEM. Biosystems Engineering, 250, 49-61. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2024.11.016.

[49] Zhang, X., Yu, S., Hu, X., & Zhang, L. (2024b). Study on rotary tillage cutting simulations and energy consumption predictions of sandy ground soil in a Xinjiang cotton field. Computers and Electronics in Agriculture, 217, article number 108646. doi: 10.1016/j.compag.2024.108646.

[50] Zhang, X., Zhang, L., Hu, X., Wang, H., & Shi, X. (2023). Calibrating contact parameters of typical rotary tillage components cutting soil based on different simulation methods. Scientific Reports, 13(1), article number 5757. doi: 10.1038/s41598-023-32881-1.

[51] Zhang, Y., Liu, Z., Wang, Y., Zhai, Y., Cui, C., Zhang, Q., Du, Z., Yuan, Y., & Wang, X. (2024c). Study on the role of chromium addition on sliding wear and corrosion resistance of high-manganese steel coating fabricated by wire arc additive manufacturing. Wear, 540, article number 205242. doi: 10.1016/j.wear.2024.205242.

[52] Zhao, P., Gao, X., Ju, X., Yang, P., Song, Q., Huang, Y., & Zheng, Z. (2024). Optimization of the front-mounted fertilizer pipe strip rotary tillage device by modeling the wide-seedbed characteristics and power consumption. Computers and Electronics in Agriculture, 227, article number 109624. doi: 10.1016/j.compag.2024.109624.

[53] Zhao, X., Zhao, J., Zhao, J., Ma, Z., Li, J., Dai, B., An, M., Wang, J., & Hao, J. (2025). Optimisation design and experimental analysis of rotary blade reinforcing ribs using DEM-FEM techniques. Biosystems Engineering, 249, 1-17. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2024.11.015.