Titlu Proiect: „Testarea modelului experimental inovativ de cultivator în benzi în vederea

introducerii in fabricaţie de către S.C. ARTECOM SRL. „

Perioada de desfăşurare: 25.07.2017-30.12.2017

Program PNCDI III: Programul 2 - Creșterea competitivității economiei românești prin cercetare,

dezvoltare și inovare

Denumire Subprogram: Subprogram 2.1 - Competitivitate prin cercetare, dezvoltare și inovare

Beneficiar: S.C. ARTECOM SRL

Furnizor de Servicii: INMA Bucureşti

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-CI-2017-0151

Contract nr.: 91CI ⁄ 2017

Obiective: În cadrul proiectului se va testa un model experimental inovativ de cultivator în benzi în

vederea introducerii în fabricaţie. Elaborarea prin cercetarea industrială în cadrul SC ARTECOM

SRL a unei metodologii/metode inovative validată prin măsurători/teste/simulare virtuală pentru

optimizarea echipamentului de cultivare în benzi. Prin optimizarea echipamentului se vor dobândi

cunoștiințe și competențe noi în vederea executării prototipului și execuției în serie la un preț

inferior de către beneficiar (SC ARTECOM SRL) de calitate superioară și eficient.

Descrierea serviciului: Metodologia de cercetare-dezvoltare în cadrul proiectul va ține seamă de

standardele europene/internaționale în vigoare, respectiv de cerințele impuse de producătorul

echipamentului.

Echipamentul va fi supus la încercări de performanță:

- Determinarea indicilor calitativi de lucru: adâncimea de lucru, lăţimea de lucru, gradul de

distrugere a resturilor vegetale, gradul de mărunţire a solului, gradul de afânare a solului;

- Determinarea indicilor energetici: determinarea vitezei de lucru, determinarea patinării

roţilor motrice, determinarea forţei de tracţiune, calculul puterii de tracţiune, calculul capacităţii

teoretice de lucru, calculul consumului de combustibil;

- Determinarea maselor şi uzura organelor de lucru.

În cadrul cercetării pentru optimizare, echipamentul va fi supus și analizei cu element finit cu

ajutorul metodei de mecanică a structurilor, incluzând teoria elasticităţii, rezistenţa materialelor,

teoria plasticităţii, dinamica structurilor.

Cap. 1. RAPORT DE EXPERIMENTARE CULTIVATOR IN BENZI TIGER-4

1. 1. Identificarea indicilor raportați în urma experimentărilor în câmp

Identificarea indicilor calitativi de lucru

Principalii indici calitativi de lucru identificaţi care determină calitatea lucrărilor solului

sunt:

a) adâncimea de lucru;

b) lăţimea de lucru;

c) gradul de distrugere a resturilor vegetale;

d) gradul de mărunţire a solului ;

e) grad de afânare a solului.

Identificarea indicilor energetici

Principalii indici energetici identificaţi care determină calitatea echipamentului sunt:

a) viteza de lucru;

b) patinarea;

c) forța de tracțiune;

d) puterea de tracțiune ;

e) capacitatea de lucru ;

f) consumul de combustibil.

1. 2. Locul încercărilor Experimentările în câmp - laborator ale Echipamentului de prelucrare a solului în benzi

TIGER 4S realizat şi folosit pentru pregătirea solului în vederea semănarii culturilor de porumb şi

soia în diferite variante de lucrare a solului în sistem conservativ s-au efectuat în perioada august-

noiembrie 2017 pe terenuri experimentale.

2

1. 3. Caracteristicile terenului: compactitatea, umiditatea și ph-ul solului

Adancime

(cm)

Penetrare (KPa) Umiditate (%) Ph solului

0 351

20.5 % (la suprafata)

7.26

2.5 351

5 737

7.5 1439

10 1580

12.5 1615

15 1680

24 % (la 30 cm)

17.5 1931

20 2141

22.5 2247

25 2387

27.5 2633

30 3054

Încercările s-au efectuat în conformitate cu Procedura de încercări echipament tehnic pentru

pregătirea patului geminativ în benzi-TIGER 4S (anexa 1).

1. 4. Condițiile de încercare

În vederea determinării indicilor calitativi de lucru s-au efectuat următoarele operaţiuni

necesare pregătirii utilajelor agricole pentru încercări:

- expertiza tehnică a principalelor organe şi a tuturor îmbinărilor demontabile şi nedemontabile

în scopul verificării realizării modelului experimental în conformitate cu documentaţia tehnică de

execuţie;

- verificarea modului de cuplare şi asigurare la tiranţii tractorului;

- verificarea modului de funcţionare a dispozitivelor și mecanismelor, reglarea acestora, pe

platformă betonată, cu reproducerea efectivă a condiţiilor de lucru.

1. 5. Rezultatele obtinute la încercarile în conditii de câmp-laborator

Incercările în condiţii de câmp-laborator s-au realizate în loturi experimentale.

În cadrul încercărilor au fost determinaţi sau calculaţi conform procedurilor în vigoare,

următorii indici:

a) Indicii calitativi de lucru:

- Adâncimea de lucru – s-a determinat măsurând cu ajutorul brazdometrului distanţa dintre

suprafaţa câmpului şi fundul de brazdă lăsat de grapă în minim 20 de puncte, la interval de 2 m între

punctele de măsurare. Pe baza măsurătorilor efectuate se calculează :

adâncimea medie de lucru, am [cm]:

n

a

a

n

i

m

1

unde:

ai = adâncimea de lucru [cm];

n - numărul măsurătorilor efectuate.

- Lăţimea de lucru - se determină în cel puţin 20 de locuri (aceleaşi ca la adâncimea de

lucru). La fiecare măsurătoare, la distanţa de 1m de peretele brazdei în direcţia zonei prelucrate se

fixează ţăruşi la intervale de 2m unul de altul, pe direcţia de înaintare.

După trecerea utilajului se măsoară distanţa de la fiecare ţăruş la peretele brazdei, iar lăţimea de

lucru se determină prin diferenţa între rezultatele obţinute înainte şi după trecerea utilajului. Pe baza

măsurătorilor lăţimii de lucru efective făcute în diferitele puncte ale brazdei se calculează ca şi în

cazul adâncimii de lucru, următorii indici:

3

lăţimea medie de lucru, Bm [cm]:

n

B

B

n

i

m

1

unde:

Bi = lăţimea de lucru [cm];

n - numărul măsurătorilor efectuate.

- Gradul de distrugere a resturilor vegetale, Gv [%] - reprezintă raportul dintre

cantitatea de masă vegetală rămasă (nedistrusă) pe suprafaţa solului şi masa vegetală existentă pe

suprafaţa câmpului înainte de trecerea utilajului (se exprimă în procente). Determinările se execută

la cel puţin 20 cm de capetele poligonului.

Pentru determinarea gradului de distrugere a resturilor vegetale, colectivul de lucru sub

îndrumarea responsabilului de încercare efectuează următoarele operaţii: înainte şi după efectuarea

probelor de discuit se recoltează pe diagonalele poligonului experimental un număr de 5 repetiţii

prin adunarea în pungi de plastic a tuturor resturilor vegetale ce se găsesc pe suprafaţa solului (dacă

sunt prinse parţial în sol se taie la nivelul solului). Cele 5x2 probe se usucă la aer, se cântăresc şi

apoi se calculează valorile medii ale masei vegetale existente pe un metru pătrat al parcelei, în cele

două situaţii: înainte şi după trecerea agregatului.

Prin raportarea acestor valori medii la valoarea masei vegetale existente pe un metru pătrat

înainte de trecerea grapei, se obţine gradul de acoperire a resturilor vegetale Gv, cu ajutorul relaţiei:

1001

n

G

GG

G

n

t

St

vi

ii

,

unde:

GSi - greutatea măsurată a masei vegetale, rămasă pe suprafaţa solului, pe proba luată, după

trecerea agregatului [g];

Gti - greutatea totală măsurată a masei vegetale de la suprafaţa solului, pe proba luată înainte

de trecerea agregatului [g].

- Gradul de mărunţire a solului, Gm [%] - pentru determinare se delimitează o probă de

sol cu dimensiunile de 1m x 1m (folosind rama metrică şi adâncimea egală cu adâncimea de lucru a

grapei. Din proba respectivă se separă fracţiunile de pământ cu dimensiuni mai mici de 50 mm de

bugării cu dimensiuni mai mari de 100 mm.

Acest indice reprezintă proporţia în greutate a fracţiunilor de sol cu mărunţire satisfăcătoare,

respectiv cu dimensiunile bulgărilor de maxim 50 mm, raportată la masa totală a probei de pământ,

calculată cu ajutorul relaţiei:

1001

n

M

M

G

n

ti

ci

ms

,

unde:

Mci - greutatea măsurată a bulgărilor de sol cu dimensiunea maximă convenţională mai

mici de 50 mm din proba de sol luată, [kg];

Mti - greutatea măsurată a întregii probe de sol luată, [kg].

Cântăririle se vor executa cu un cântar portabil, cu o eroare relativă admisibilă de 1%.

Pentru separarea fracţiilor de sol se va folosi un set de site cu orificii rotunde, având diametrul

orificiilor 50, 20 şi eventual 10 mm. Rezultatele acestor determinări se introduc în fişa de

măsurători FM - 29.04 de către asistentul de încercări şi vor fi prezentate responsabililului de

încercări.

În caz de necessitate se vor executa determinări ale componentelor fracţionale de sol pe

intervale de dimensiuni, după cum urmează:

1) 50 mm < < 100 mm;

4

2) 20 mm < < 50 mm;

3) 10 mm < < 20 mm;

4) < 10 mm;

b) Indicii energetici:

- viteza de lucru efectivă (Ve), în km/h;

- patinare (δ), in %

- consumul de combustibil la hectar (Q), în l/ha;

- capacitatea de lucru orară la timpul efectiv (Wef), în ha/h.

Tabelul 1 Indicii obținuți pe terenul experimental

Denumirea

lucrării de

bază

Denumire

utilaj

agricole

Lucrare

anterioară

Indici energetici Indici calitativi de

lucru

Viteză

(Km/h)

Patinare

(%)

Consum de

combustibil

(l/ha)

Capacitate

de lucru

(ha/h)

Grad de

măruntire

(%)

Grad de

distrugere

a

resturilor

vegetale

(%)

Pregătirea

patului

germinativ

TIGER-4

Afanare ad. 5,64 15,18 6,68 1,580 80.35 90.68

Nearat 5,16 16,84 5.23 1,445 78.13 91.22

1.6 Concluzii -Experimentările în câmp - laborator ale Echipamentului de prelucrare a solului în benzi

TIGER 4S realizat şi folosit pentru pregătirea solului în vederea semănarii culturilor de porumb şi

soia în diferite variante de lucrare a solului în sistem conservativ s-au efectuat în perioada august-

noiembrie 2017 pe terenuri experimentale.

-Experimentările s-au efectuat perpendicular pe lucrarea de afânare adâncă, lucrare realizată

într-o perioadă anterioar. Fâşiile cu afânare adâncă sunt separate de altele cu teren nearat, de aceeaşi

lăţime.

Raportul de experimentari mai cuprinde: metodica, echipamentele şi aparatura de măsură şi

control utilizate în timpul încercărilor, precum şi formulele şi metoda de calcul a indicilor calitativi de

lucru şi energetici.

Din analiza datelor obţinute rezultă că:

Maşina pentru pregătirea solului în benzi înguste, TIGER4 a realizat la adâncimea de lucru

maximă următorii indicatori:

o viteză de lucru de 5,64...6,02 km/h pe teren afânat şi 5,16...5,88 km/h pe teren nearat;

o consum de combustibil de 5,80...6,55 l/ha pe teren afânat şi 6,37...31,68 l/ha pe teren nearat;

o capacitate de lucru de 1,620...1,686 ha/h pe teren afânat şi 1,445...1,647 ha/h pe teren nearat.

Cap. 2 RAPORT DE ANALIZĂ STRUCTURALĂ

2.1 Introducere

Proiectarea optimala sau imbunatatirea unei structuri mecanice complexe, sunt activitati care se

desfasoara in mod curent in activitatea firmelor avansate care lucreaza in domeniul structurilor

mecanice si de alte tipuri. Proiectarea unui produs optimal (macar din cateva puncte de vedere) sau

imbunatatirea in sens optimal a unor produse deja existente, necesita instrunente complexe de lucru,

care sunt integrate astazi in programe complexe CAD-CAE.

Fluxul de lucru in complexul CAD – CAE este, deseori, fragmentat, datorita volumului

deosebit de mare de munca si cunostintelor complexe pe care le solicita. Pentru aceste motive, in

general, modelul CAD poate proven de la furnizori care nu au calificarea sa faca analiza structural

si reciproc, modelele CAE sunt folosite de structuralisti, care nu au toate cunostintele ingineresti

5

necesare crearii desenelor de fabricatie. Mai mult decat atat, se cunoaste faptul ca, in scopul

realizarii desenelor de fabricatie, in modelele CAD sunt lasate anumite goluri care trebuie umplute

cu cordoane de sudura sau prin alte tehnici.

Un astfel de model CAD nu este functional din punctul de vedere al analizei structurale. Inca o

problema care genereaza dificultati in obtinerea modelelor CAD, este aceea ca furnizorii modelului

CAD pot sa lucreze intr-un program de desenare (de multe ori mai vechi si mai putin performant),

iar echipa care efectueaza analiza structural are nevoie de modelul CAD corespunzator unui alt

program.

2.2 Transformarea modelului CAD de la furnizor in model CAD SolidWorks

Firma care a proiectat si realizat produsul, a realizat un model CAD in programul Inventor

Professional 3D CAD. Acest model este reprezentat in figura 1.

Figura 1: Modelul CAD al proiectantului si producatorului structurii originale

Dupa transformarile descrise, am obtinut un model CAD usual in cadrul programului

SolidWorks. Acest model (figura 2) este un ansamblu format dintr-un numar de 47 componente.

Masa ansamblului este de 927 kg.

Figura 2: Modelul CAD al structurii in forma uzuala pentru programul SolidWorks

2.3 Transformarea modelului CAD SolidWorks in model CAE SolidWorks

Datorita modelui initial obtinut cu ajutorul programului Inventor, la convertirea CAD in CAE a

rezultat un ansamblu care nu putea fi folosit pentru efctuarea analizei structurale. Pentru rezolvarea

acestui impediment am izolat fiecare reper, am relevat fiecare piesa si am ansamblat pana s-a ajuns

la forma finala. Dupa efectuarea ansamblui final cu toate reperele este necesara verificarea

existentei interferentelor in structura, figura 3, deoarece, prezenta unei interferente (suprapunere sau

goluri) poate face ca programul de analiza sa nu ruleze, sau, mai rau, sa ruleze cu rezultate eronate.

6

Figura 3: Verificarea interferentelor inainte de inceperea analizei structurale

2.3.1 Analiza structurala a modelului CAE

Modelul CAD este simplificat. Acest model introdus in analiza structurala nu contine

suprastructura din spate a masinii si nici anumite subanasamble mici. Nu toate subansamblele sunt

importante, insa, de exemplu, surubul de siguranta este un element extrem de important pentru

functionarea corecta a masinii. Surubul de siguranta, atasat fiecarui organ de scarificare, nu apare in

acest model. Comportamentului acestuia in substructura i se va dedica un articol separat, eventual

modelul CAE dezvoltandu-se pana la integrarea surubului de siguranta.

2.3.2 Conditii pe frontiera (Rezemarea structurii)

Structura este rezemata in trei puncte prin sistemul de prindere la tractor, figura 4. Legarea la

tractor se face (in mod exagerat) prin incastrare (anularea tuturor gradelor de libertate pe suprafetele

de contact intre elementele de legatura dintre tractor si cultivator).

Figura 4: Modul de rezemare al structurii

2.3.3 Incarcarea structurii

In cadrul acestei analize se studiaza raspunsul structurii numai pentru sarcina maxima normala

in lucru. Forta totala aplicata normal pe suprafata organelor de lucru proiectata pe planul normal la

directia de deplasare, s-a calculat dupa metoda din [1].[2],[3].

F f G k Sa Sa v2

(1)

In (1) F este forta de rezistenta a solului la actiunea portiuni a organului de lucru, Sa, aria

suprafeței de contact a organului de lucru cu solul, iar k, ε, sunt rezistentele specifice la deformare

ale solului si coeficientii de rezistenta la deformare a solului datorati vitezei de lucru. Cu v s-a notat

viteza de lucru. In exemplul considerat am folosit valorile: G=3629, v=5 km/h, Sa=0,103 m2,

ρ=1100, ε= 2, f=0,5, k= 350000 Pa. Fortele (2), au fost aplicate pe structura conform reprezentarii

grafice din figura 5.

F= 11084 N (2)

7

Estimari similare ale fortelor de interactiune intre orgale de lucru ale masinilor destinate

lucrarilor solului si sol, precum si rezultate experimentale, sunt mentionate in [4], [5] si [6].

Figura 5: Modul de aplicare a incarcarilor (fortelor)

Pentru efectuarea analizei statice liniar-elastica, s-a aplicat comanda de contact global. Aceasta

conditie aplicata de operatorul analizei cu elemente finite, elimina orice fel de jocuri, realizand

conditii de solicitare corespunzatoare unei structuri mai rigide decat cea reala. Astfel, tensiunile vor

fi mai mari decat in realitate, iar deplasarile relative (deformatiile), este de asteptat sa aibe valori

mai mici decat in realitate. Discretizarea structurii se poate observa in figura 6.

Figura 6: Discretizarea structurii: proiecţia elementelor finite pe frontiera structurii

2.4 Rezultate

Principalele rezultate ale analizei structurale statice liniar – elastice sunt: valorile

reactiunilor in reazeme, distributia campului vectorial al deplasarii relative-rezultante in structura,

distributia campurilor tensoriale ale deformatiei specifice si tensiunii Cauchy in aceeasi structura.

De asemenea, un rezultat important pentru siguranta structurii este distributia factorului de

siguranta.

Figura 7: Distributia valorilor campului de deplasare relativa rezultanta pe frontiera structurii

8

In figura 7 se reprezinta grafic hartile distributiei valorilor campului de deplasare relativa

rezultanta pe frontiera structurii. Se observa ca valoarea maxima (in jur de 9 mm) se localizeaza in

partea din spate a structurii. Aceasta valoare maxima poate sa fie depasita daca se tine seama de

jocurile structurii si sistemului de legatura dintre cultivator si tractor. Cresterea deplasarii, in

conditiile solicitarii considerate, cu admiterea jocurilor, contribuie la relaxarea structurii si implicit

cresterea factorului de siguranta. Totusi, jocurile exagerate conduc, in general la posibile uzuri, mai

mult sau mai putin premature.

Figura 8: Distributia valorilor campului de deformatie specifica totala pe frontiera structurii.

In figura 8 este reprezentata grafic prin harta color, distributia valorilor deformatiei specifice

totale. Este semnalata in detaliu si zona de maxima solicitare. Datorita faptului ca se lucreaza in

domeniul elastic-liniar, tensiunea maxima se va localiza in aceeasi zona ca deformatia specifica

maxima. Tensiunea echivalenta maxima se reprezinta grafic in mod similar, in figura 11.

Figura 9: Reprezentarea distributiei tensiunii echivalente pe frontiera structurii.

In figura 10 se reprezintă grafic distributia factorului de siguranta in structura.

Figura 10: Distributia factorului de siguranta pe frontiera structurii

9

Valoarea minima a coeficientului de siguranta este 1,9. Pentru utilajele agricole destinate

lucrarilor solului, valorile uzuale ale coeficientului de siguranta se află intre 1,8 şi 2,2. Prin urmare

acest utilaj este dimensionat corect, insa daca nu se efectuează lucrarea in conditii optime si anume

în conditii improprii (datorită unor accidente ca impactul cu roca dura sau cu radacini din sol),

trebuie imbunatatit cadrul echipamentului si anume cresterea dimensiunilor sau schimbarea

materialului.

2.5 Concluzii

In urma acestui studiu structural asupra cultivatorului TIGER-4 se pot trage cateva concluzii

importante pentru continuarea investigatiilor.

Pentru o solicitare normala, calculata conform criteriilor expuse in lucrare, structura portanta a

scarificatorului, este supraestimata, abstractie facand de eventualele accidente in sol (corpuri dure)

sau de o utilizare in conditii improprii.

Avand in vedere valorile maxime ale tensiunii echivalente, nu exista pericole de cedare a

materialului structurii. De asemenea, valorile maxime ale deplasarii relative rezultante garanteaza

faptul ca abaterile de la parametrii de lucru dictate de cerintele agrotehnice (adancimea de lucru, in

special), sunt neglijabile, cel putin la partea esentiala de lucru a scarificatorului.

Valoarea coeficientului de siguranta (1,9), in raport cu valorile uzuale ale acestuia in practica

proiectarii si fabricarii utilajelor agricole destinate lucararilor solului, arata ca exista un important

potential de optimizare a acestui utilaj. Deoarece cultivatorul ar putea fi folosit in conditiile unui

teren nelucrat de cinci – zece ani, exista posibilitatea de a accepta un coefficient de pana la 7 – 8,

prin urmare ar fi totusi cazul unui studiu de optimizare substantial.