Печать

PDF Скачать статью в pdf.

DOI: 10.15507/2658-4123.26363.462-482

EDN: https://elibrary.ru/eumhwu

УДК 631.31:531.133.3:001.8

 

Численный анализ динамики шарнирных ножей с криволинейной кромкой в ротационных обрезочных аппаратах: результаты параметрического исследования

 

Красовский Виталий Викторович
доцент кафедры общетехнических дисциплин Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского (295007, Российская Федерация, г. Симферополь, пр. Вернадского, д. 4); кандидат технических наук, заведующий отделом механизации производства и разработки новых образцов техники Научно-исследовательского института сельского хозяйства Крыма (295043, Российская Федерация, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 150), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5556-9531, Researcher ID: KFB-1012-2024, SPIN-код: 4234-0138, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Трофимов Илья Михайлович
аспирант кафедры технических систем в агробизнесе института агротехнологической академии Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского (295007, Российская Федерация, г. Симферополь, пр. Вернадского, д. 4), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1738-6910, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Завалий Алексей Алексеевич
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин института агротехнологической академии Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского (295007, Российская Федерация, г. Симферополь, пр. Вернадского, д. 4), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0806-1110, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Аннотация
Введение. Современные ротационные обрезочные аппараты обладают высокой энергозатратностью, при этом их ударные нагрузки негативно влияют на качество среза. Повышение эффективности и обеспечение щадящего режима резания возможно при использовании шарнирных ножей с криволинейной кромкой в конструкции обрезочного аппарата. Для этого необходима разработка динамической модели, учитывающей взаимодействие ножа с ветвью, силы инерции и упругие свойства пружинного механизма.
Цель исследования. Оценка динамики шарнирных ножей с криволинейной кромкой в ротационных обрезочных аппаратах на основе математической модели силового баланса для определения оптимальных параметров шарнирного механизма.
Материалы и методы. Объектом исследования являлся процесс резания однолетних ветвей виноградной лозы диаметром D = 20 мм с физико-механическими свойствами, соответствующими пределу прочности при срезе σ = 1·106 Па. Математическая модель силового баланса шарнирного ножа описывалась системой уравнений, численное решение которой осуществлялось методом Рунге – Кутты 4-го порядка в программной среде Mathcad. Параметрический анализ варьирования частоты вращения ротора ω проводился в диапазоне 25–100 с–1, а усилия пружины – в диапазоне 10–200 Н. Исследование выполнялось в следующей последовательности: задание исходных геометрических и физико-механических параметров системы; численное моделирование динамики ножа для каждого набора параметров; анализ полученных зависимостей угла отклонения ножа и траектории точки контакта; определение оптимальных режимов работы.
Результаты исследования. Показана зависимость угла отклонения ножа от частоты вращения ротора и влияния жесткости пружины. Установлен характер движения точек контакта режущей кромки и поверхности реза для прямолинейного и спиралевидного ножа. Определены оптимальные диапазоны частот вращения ротора (ω = 28...36 с–1) и усилия пружины (Fspr = 100...200 Н) для эффективного резания, обеспечивающего минимальные вибрации и стабильное качество среза ветвей диаметром до 20 мм.
Заключение. Применение шарнирных ножей с криволинейной (спиралевидной) режущей кромкой позволяет снизить ударные нагрузки на 25–30 % по сравнению с прямолинейными ножами за счет более плавного скользящего вхождения в материал. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и модернизации ротационных обрезочных аппаратов для виноградарства и садоводства, что позволит повысить надежность оборудования, снизить энергозатраты и улучшить качество обрезки многолетних насаждений.

<Ключевые слова: ротационный режущий аппарат, шарнирные ножи, криволинейная кромка, динамика ножей, параметрическое исследование, численное моделирование, ударные нагрузки, качество среза

Финансирование: работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 26-26-20042 «Исследование динамики взаимодействия рабочих органов с растениями для создания адаптивных систем защиты садовых насаждений (на примере Крымского региона)».

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Красовский В.В., Трофимов И.М., Завалий А.А. Численный анализ динамики шарнирных ножей с криволинейной кромкой в ротационных обрезочных аппаратах: результаты параметрического исследования. Инженерные технологии и системы. 2026;36(3):462–482. https://doi.org/10.15507/2658-4123.26363.462-482

Вклад авторов:
В. В. Красовский – формулирование идеи исследования, целей и задач; разработка методологии исследования; применение статистических, математических, вычислительных или других формальных методов для анализа или синтеза данных исследования; создание и подготовка рукописи: написание черновика рукописи, включая его перевод на иностранный язык.
И. М. Трофимов – осуществление научно-исследовательского процесса, включая выполнение экспериментов или сбор данных; программирование, разработка и проектирование программного обеспечения; деятельность по аннотированию (созданию метаданных), очистке данных и поддержанию их целостности (включая программный код для интерпретации, где это необходимо) для первоначального и повторного использования; создание и подготовка рукописи: визуализация результатов исследования и полученных данных.
А. А. Завалий – контроль, лидерство и наставничество в процессе планирования и проведения исследования; проверка воспроизводимости результатов экспериментов и исследования в рамках основных или дополнительных задач работы; создание и подготовка рукописи: критический анализ черновика рукописи, внесение замечаний и исправлений членами исследовательской группы, в том числе на этапах до и после публикации; рецензирование и редактирование текста рукописи.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 27.09.2025;
поступила после рецензирования 23.01.2026;
принята к публикации 09.02.2026

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Allegro G., Martelli R., Valentini G., Pastore Ch., Mazzoleni R., Pezzi F., et al. Effects of Mechanical Winter Pruning on Vine Performances and Management Costs in a Trebbiano Romagnolo Vineyard: A Five-Year Study. Horticulturae. 2023;9(1):21. https://doi.org/10.3390/horticulturae9010021
  2. Гайнуллин Р.Х., Гайнуллин Р.Х., Чемоданов А.Н., Царев Е.М., Рукомойников К.П., Смирнов М.Ю. и др. О закономерности изменения силовых характеристик при криволинейном строгании древесины на шпон. Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Материалы. Конструкции. Технологии». 2022;2(22):51–57. https://doi.org/10.25686/2542-114X.2022.2.51
  3. Красовский В.В., Трофимов И.М., Гербер Ю.Б., Федоров Б.К. Сравнительный анализ эффективности режущих инструментов для обрезки виноградной лозы. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2025;44(207):101–113. https://elibrary.ru/dfjywl
  4. Liu Z., Wang T., Liu S., Yan X., Zhao H., Wu X., et al. Design and Experimental Study of a Bionic Blade for Harvesting the Wild Chrysanthemum Stem. Agriculture. 2023;13(1):190. https://doi.org/10.3390/agriculture13010190
  5. Wu B., Zuo T., Li Z., Qian H., Huang T., Xiang Y. Numerical Simulation and Optimization of the Airflow Field of a Forage Drum Mower. Applied Sciences. 2023;13(10):5910. https://doi.org/10.3390/app13105910
  6. Egorov A.V., Shram V.G., Kaizer Yu.F., Zhelukevich R.B., Lysyannikov A.V., Bezborodov Yu.N., et al. Dynamic Control of the Efficiency of Mechanic Cutting of Material. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2023;52(5):432–435. https://doi.org/10.3103/S1052618823050047
  7. Апхудов Т.М., Апажев А.К., Шекихачев Ю.А. Обоснование основных конструктивных и технологических параметров измельчителя ветвей плодовых деревьев. Международный технико-экономический журнал. 2019;(4):15–19. https://doi.org/10.34286/1995-4646 -2019-67-4-15-19
  8. Красовский В.В., Трофимов И.М., Завалий А.А. Теоретический анализ режущего инструмента ротационно-ножевого типа для обрезки многолетних растений. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2025;43(206):172–181. https://elibrary.ru/xzgopd
  9. Danylchenko Yu., Storchak M., Danylchenko M., Petryshyn A. Cutting Process Consideration in Dynamic Models of Machine Tool Spindle Units. Machines. 2023;11(6):582. https://doi.org/10.3390/machines11060582
  10. Sharma A., Thapa S., Goel B., Kumar R., Singh T. Structural Analysis and Optimization of Machine Structure for the Measurement of Cutting Force for Wood. Alexandria Engineering Journal. 2023;(64):833–846. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.09.030
  11. Lv J., Jia S., Wang H., Ding K., Chan F.T.S. Comparison of Different Approaches for Predicting Material Removal Power in Milling Process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021;(116):213–227. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07257-2
  12. Gutnichenko O., Nilsson M., Lindvall R., Bushlya V., Andersson M. Improvement of Tool Utilization when Hard Turning with cBN Tools at Varying Process Parameters. Wear. 2021;(477):203900. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203900
  13. Красовский В.В., Гербер Ю.Б. Экспериментальное исследование и оптимизация скорости резания для повышения эффективности малогабаритного дискового измельчителя растительных остатков. Инженерные технологии и системы. 2025;35(1):84–100. https://doi.org/10.15507/2658-4123.035.202501.084-100
  14. Гаранин В.Н., Болочко Д.Л. Обоснование скорости резания древесины с использованием модели обработки анизотропного материала. Труды БГТУ. Серия I: Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. 2020;(2):299–305. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/34848 (дата обращения: 24.11.2025).
  15. Liu B., Wang Y., Zhao G., Yang D., Huang D., Xiang B. Intelligent Decision Method for Main Control Parameters of Tunnel Boring Machine Based on Multi-Objective Optimization of Excavation Efficiency and Cost. Tunnelling and Underground Space Technology. 2021;(116):104054. https://doi.org/10.1016/j.tust.2021.104054
  16. Егоров А.В., Шрам В.Г., Кайзер Ю.Ф., Желукевич Р.Б., Лысянников А.В., Безбородов Ю.Н. и др. Динамический метод контроля эффективности резания материала механическим способом. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2023;(5):3–6. https://doi.org/10.31857/S0235711923050048
  17. Красовский В.В., Гербер Ю.Б. Оптимизация параметров малогабаритного измельчителя растительных материалов с использованием регрессионного моделирования. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2025;(41):141–152. https://elibrary.ru/ikhtcr
  18. Красовский В.В., Трофимов И.М., Завалий А.А., Гербер Ю.Б. Влияние геометрии и кинематики режущего инструмента на усилие обрезки садов и виноградников: теоретический и численный анализ. Таврический вестник аграрной науки. 2026;(1):66–79. https://doi.org/10.5281/zenodo.19216701

 

Лицензия Creative Commons
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Подробности
Просмотров: 4