сотрудник
Россия
УДК 631.171 Механизация и автоматизация сельского хозяйства
ГРНТИ 68.75 Экономика и организация сельского хозяйства
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5611 Общее растениеводство. Земледелие. Агротехника
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье рассматриваются способы расчета основных показателей приводного механизма автоматизированной установки микродождевания рассадных культур, выращиваемых по кассетной технологии в теплицах. Показывается актуальность предварительного расчета показателей на стадии проектирования, с целью правильного подбора оборудования для конструирования изделия. С помощью теоретического метода расчета определено, что мощность двигателя привода механизма передвижения тележек дождевальной установки должна быть не менее 0,5 кВт. Число оборотов двигателя должно быть в пределах 993 об/мин. Для обеспечения равномерного движения тележек установки необходимо, чтобы работа движущих сил была равна работе сил сопротивления. Для надежности эксплуатации при перемещении исполнительных тележек дождевальной установки из ряда предлагаемых мотор-редукторов выбран одноступенчатый червячный мотор-редуктор серии 7МЧ-М60. Приведенные расчетные данные позволяют обеспечить уверенность надежности работы привода тележек на стадии проектирования конструкции установки автоматизированного микродождевания кассетной рассады в теплицах
механизм привода, вычисления, расчет показателей, автоматизация
Введение. Среднедушевое потребление овощей в России составляет 104 кг в год, что на 35% меньше, чем рекомендованная Минздравом России норма потребления. Компенсировать недостачу овощной продукции в межсезонный период необходимо за счёт развития собственного производства овощей защищённого грунта. Данный сегмент активно стремится к полному импортозамещению. По итогам 2024 года валовый сбор в зимних теплицах составил 1,63 млн. тонн овощей при внутренней потребности в 2 млн. тонн. Площадь зимних теплиц, находящихся в собственности сельхозорганизаций, КФХ и ИП, выросла до 3350 га, а средняя урожайность достигла 48,7 кг/кв.м.
В целом, по итогам 2024 года, самообеспеченность томатами и огурцами выросла до 79,8% [1].
Прогнозы развития тепличного хозяйства в России следующие:
- К 2026 году ожидается ввод более 3,4 тыс. га новых теплиц, что увеличит производство до 1,7 млн тонн овощей.
- Цифровизация и автоматизация процессов приведут к снижению себестоимости на 15–20% уже к 2030 году.
- Импортозамещение – доля российских томатов на рынке стабильно растёт, а новые гибриды и технологии позволяют снижать зависимость от зарубежных поставщиков.
Тепличные хозяйства наиболее автоматизированы и имеют доступ к современным инновационным технологиям. Уровень импортозамещения во многих сферах тепличного сектора продолжает расти. В последнее время быстрыми темпами развивается сектор тепличного выращивание рассады капусты, салатов и зеленных культур с использованием автоматизированных установок для полива. Механизм их работы мало изучен.
Цель. Обеспечение уверенности соответствия реализации требованиям к значениям показателей надёжности привода установки автоматизированного микродождевания кассетной рассады в теплицах, основанных на вычислениях.
Результаты и их обсуждение. Объектом исследования являются элементы проектируемого привода автоматизированной установки микродождевания теплиц типа проекта «Импотэк» туннельного типа с прямой стенкой габаритами 50х9,6х4,7 м и промежуточными арками через каждые 2 м, высотой нижнего пояса труб арок 2,7 м с диаметром 32 мм. Установка предназначена для дождевания в автоматическом режиме в движении по подвесной рельсовой системе, по которой посредством тросовой системы с мотор-редуктором перемещаются поливная тележка с дождеобразующими устройствами и тележка петлеобразователя питающего шланга [2].
Для определения способности конструкции привода отвечать поставленным требованиям перемещения технологического оборудования дождевальной установки необходимо провести расчёты к требованиям показателей приводного механизма.
Для взаимосвязанного перемещения тележек используется единая тросовая система, кинематическая схема которой показана на рис. 1. Причём поливная тележка движется по отношению к тележке для поворота шланга в два раза быстрее. Это обусловлено тем, что поливная тележка 4 перемещается по всей длине теплицы, а тележка со шлангом 3 только до половины теплицы.
Расчёты определения усилий на перемещение составных частей конструкции, подтверждающие работоспособность и надёжность поливной установки производятся согласно приведённой схеме по аналогу для расчёта крановой тележке и механизма подъёма груза.
Исходными данными для расчёта являются:
1. Масса перемещаемых тележек:
- масса тележки перемещения шланга Р1 – 50 кг,
- масса тележки поливной Р2 – 96,5 кг.
2. Масса шланга полиэтиленового ПЭ 40х3 мм L=50 м с водой – Р3 = 63 кг, в т.ч. шланг – 18 кг, вода – 45 кг.
3. Масса каната (троса) диаметром 4 мм длиной 200 м – Р4 = 13 кг.
4. Диаметр колес тележек D1 – 65 мм.
5. Диаметр ролика поддержки троса и шланга D2 – 20 мм.
6. Диаметр приводного шкива D3 – 200 мм.
7. Передаточное число мотор-редуктора i = 40.
8. Скорость перемещения тележки поливной – 0,26 м/с
9. Сопротивление образованию петли шланга Fпет – 32 кг (экспериментальные данные).
1 - направляющая; 2 - подвес; 3 - тележка перемещения шланга; 4 - тележка поливная; 5 - шланг; 6 - ролик поворотный; 7 - ролик тросовой системы; 8 - трос; 9 - бобышка или упор для рычага отключения движения; 10 - места крепления троса и шланга.
Рисунок 1 – Схема кинематическая функциональная привода системы
Модель расчёта базируется на расчётах механизмов крановых машин [3-6] и включает определение необходимой мощности двигателя мотор-редуктора и частоты его вращения. Для этого в первую очередь необходимо установить сумму всех сопротивлений составляющих механизма привода.
Общее сопротивление (F) передвижению тележек, троса и шланга от статических нагрузок равно сумме сопротивлений
F = Fтп+ Fс
где Fтп – сопротивление тележки поливной; Fс – суммарное сопротивление через полиспаст.
Сопротивление трения при движении тележки по прямому рельсовому пути вычисляется по формуле где kр – коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление от трения реборд колёс и торцов ступиц колеса, принимаем равным 2,5; Р – масса тележки, кг; g – ускорение свободного падения равное 9,81 м/с; f – коэффициент трения подшипника скольжения, принимаем равным 0,3; dв – диаметр вала колеса – 0,02 м; μ – коэффициент трения качения колес по рельсам - 0,0003 м; D1 – диаметр колеса тележки, м.
Сопротивление перемещению тележки шланга Fтш будет равно
Fтш = 2,5 × 50 × 9,81 × (0,3 × 0,002 + 2 × 0,0003) / 0,065 = 124,51 Н
Сопротивление перемещению тележки поливной Fтп равно
Fтп = 2,5 × 96,5 × 9,81 × (0,3 × 0,002 + 2 × 0,0003) / 0,065 = 240,31 Н
Сопротивление перемещению троса Fт находим по формуле
Fт =Р4 × f × g
где Р4 – масса троса – 13 кг; f - коэффициент трения подшипника скольжения (сухое трение) равный 0,3.
Тогда Fт равно
Fт = 13 × 0,3 × 9,81 = 38,26 Н
Сопротивление перемещения шланга с водой Fш находим по формуле
Fш =Р3 × f × g
где Р3 – масса шланга с водой – 63 кг; f – коэффициент трения подшипника скольжения (сухое трение) равный 0,3.
Тогда сопротивление шланга с водой будет равно
Fш = 63 × 0,3 × 9,81 = 185,41 Н
Сопротивление образованию петли (изгиба) шланга Fизг
Fизг = Fпет × g
Fизг = 32 × 9,81 = 313,92 Н
Усилие в канате, набегающим на приводной шкив от сопротивления передвижению тележки поливной равно
Fтп = 240,31 Н
Поскольку в конструкции имеется полиспаст и обводные блоки суммарное усилие от перемещения тележки шланга, троса, шланга с водой и сопротивления образованию петли рассчитывается по формуле где Zп – число полиспастов в системе – 1; Uп – кратность полиспаста – 2; η – кпд общий равен h = hп × hобв, где hп – кпд полиспаста – 0,94; hобв – кпд обводных блоков – 0,74.
h = 0,94 × 0,74 = 0,7
Тогда Fс = (124,51 + 38,26 + 185,41 + 313,92)/(1 × 2 × 0,7) = 472,93 Н
Общее сопротивление равно F = 240,31 + 472,93 = 713,24 H
Статическая мощность двигателя привода равна кВт где η – кпд редуктора - 0,74. Pc = (713,24 × 0,26) / (1000× 0,74) = 0,25 кВт
Так как в момент пуска двигателя потребляемая мощность из-за нагрузки страгивания тележек возрастает в двое, то необходимо предусмотреть двигатель для комплекта мощностью не менее 0,5 кВт.
Определяем число оборотов двигателя при перемещении тележек с максимальной заданной скоростью
п V L = i 60 , об/мин
где Vпер – 0,26 м/с; Lшк – длина окружности шкива равна
Lшк = Dшк × π = 0,2 × 3,14 = 0,628 м
При передаточном числе редуктора i = 40 необходимое число оборотов двигателя будет равно
nдв = (0,26 × 60) / 0,628 × 40= 993 об/мин.
Выводы и рекомендации.
1. Расчётным методом было определено, что мощность двигателя привода механизма передвижения тележек дождевальной установки должна быть равна ≥ 0,5 кВт.
2. Число оборотов двигателя должно быть в пределах 993 об/мин.
3. Для равномерного движения тележек установки необходимо, чтобы работа движущих сил была равна работе сил сопротивления.
4. Для надёжного выполнения работы по перемещению исполнительных тележек дождевальной установки из ряда предлагаемых мотор-редукторов был отобран одноступенчатый червячный мотор-редуктор серии 7МЧ-М60.
5. Расчётные данные позволяют обеспечить уверенность надёжности работы привода тележек на стадии проектирования конструкции установки автоматизированного микродождевания кассетной рассады в теплицах.
6. Автоматизированное устройство микродождевания в теплице позволяет повысить процесс механизации выращивания рассады, сократить до минимума использование ручного труда и привести к снижению себестоимости продукции.
1. Новые возможности для тепличной отрасли. / Сельскохозяйственные вести. №2. 2025. С. 50-52.
2. Грушин А.В., Гжибовский С.А., Коломеец А.В. Актуальность развития тепличного комплекса. / Вестник мелиоративной науки. 2024. № 1.– С. 62-66.
3. Кузьмин А.В., Марон Ф.Л. Справочник по расчётам механизмов подъёмно-транспортных машин. – 2-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Высш. шк., 1983. – 350 с.
4. Курсовое проектирование грузоподъёмных машин: Учеб. Пособие для студентов маши-ностр. спец. вузов/С.А. Казак, В.Е. Дусье, Е.С. Кузнецов и др.; Под ред. С.А. Казака. – М.: Высш. шк., 1989. – 319 с.
5. Расчёты механических передач : учебное пособие к курсовому и дипломному проекти-рованию / С.Г. Карнаух – Краматорск : ДГМА, 2016. – 253 с.
6. Расчёт крановых механизмов. Курсовой проект [Электронный ресурс]: учебное пособие /В.В. Каржавин, С.Ф. Каменских, И.В. Душанин. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2017. 115 с. Режим доступа: http://elar.rsvpu.ru/978-5-8050-0634-1.
