Обоснование схемы конструкции и параметров секции широкозахватной пружинной бороны, обеспечивающей равномерную глубину рыхления почвы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шалонкина Евгения Владимировна

• Шалонкина Евгения Владимировна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Шалонкина Евгения Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАШИН

ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

1.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РАБОТЕ ПРУЖИННЫХ БОРОН

1.3. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ПРУЖИННЫХ БОРОН

1.4. ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ

1.5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ РАБОТЫ ШИРОКОЗАХВАТНЫХ ПРУЖИННЫХ БОРОН

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПО ОБОСНОВАНИЮ СХЕМЫ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ СЕКЦИИ ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ

2.1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ СЕКЦИИ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ ВО ВРЕМЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ НЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ

2.2. СХЕМА КОНСТРУКЦИИ СЕКЦИИ ДЛЯ ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ

2.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗУБОВОГО ПОЛЯ СЕКЦИИ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ

2.3. АНАЛИЗ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ

2.4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЕКЦИИ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ

2.5. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ И ПОЖНИВНЫХ ОСТАТКОВ

3.3. ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.3.1. Исследование процесса движения макета секции бороны

во время преодоления неровностей поверхности почвы

3.3.2. Определение тягового сопротивления макета секции бороны

3.4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНО-ПОЛЕВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

3.4.1. Состав машинно-тракторных агрегатов и средства измерения при проведении лабораторно-полевых экспериментов

3.4.2. Определение энергетических, агротехнических и эксплуатационно-технологических показателей работы машинно-тракторных агрегатов 108 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

С МАКЕТОМ СЕКЦИИ БОРОНЫ

4.1.1. Результаты исследования процесса движения макета секции бороны во время преодоления неровностей поверхности почвы

4.1.2. Оценка величины тягового сопротивления макета секции

4.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНО-ПОЛЕВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 124 4.2.1. Агротехнические показатели работы машинно-тракторных агрегатов

4.2.2. Энергетические показатели работы машинно-тракторных агрегатов

4.3. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ С СЕКЦИЯМИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИМИ РАВНОМЕРНУЮ ГЛУБИНУ РЫХЛЕНИЯ

ПОЧВЫ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование схемы конструкции и параметров секции широкозахватной пружинной бороны, обеспечивающей равномерную глубину рыхления почвы»

Введение

Актуальность темы. При поверхностной обработке почвы значительное распространение получили широкозахватные пружинные бороны. Машинно-тракторные агрегаты с боронами данного типа обладают высокой производительностью за счет работы на повышенных скоростях и сравнительно невысоких непроизводительных затрат времени вследствие лучшей приспособленности к транспортным переездам, разворотам и маневрированию. Немаловажным аспектом является и то, что пружинные бороны могут применяться на разных типах агрофонов, а наличие регулировок пружинных зубьев позволяет более точно подбирать технологический режим, настраивая машину под конкретные агрофизические условия и цели. Вместе с этим пружинные бороны имеют существенный недостаток, свойственный всем широкозахватным машинам - неудовлетворительную равномерность глубины рыхления почвы. Это отрицательно сказывается на качестве выполняемых работ независимо от их специфики, обусловливая неудовлетворительные показатели по крошению почвы, разрушению почвенной корки, распределению пожнивных остатков, затрудняется проведение последующих операций, снижается урожайность возделываемых культур. Одной из наиболее существенных причин нарушения технологического процесса в данном случае является несовершенство конструкции секций пружинных борон.

В связи с этим исследования, направленные на разработку и обоснование параметров секций для широкозахватных пружинных борон, способных обеспечивать равномерную глубину рыхления почвы, являются актуальными и имеют большое научное и практическое значение.

Тематика работы соответствует стратегии развития агропромышленного и рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2030 года (распоряжение Правительства Российской Федерации от 8 сентября 2022 г. № 2567-р).

Разработанность темы исследования

Актуальные исследования в области обоснования конструкционных и режимных параметров пружинных борон, а также их применения в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур нашли отражение в работах В.В. Бледных, Н.К. Мазитова, Р.С. Рахимова, И.Р. Рахимова, В.Л. Астафьева, А.А. Курача, Н.Т. Хлызова, А.Г. Иванова, А.П. Бодалева, И.Я. Федоренко, А.А. Цыбаня, А.Н. Чернявского, М.Н. Калимуллина, Г.Г. Маслова, В.И. Беляева, И.М. Фархутдинова и ряда других ученых. Однако анализ научных работ показывает, что задачи обеспечения равномерной глубины рыхления почвы одновременно группой рабочих органов, установленных на секции, были решены не в полной степени. Проведенными исследованиями установлено, что равномерность глубины рыхления почвы определяется кинематическими и динамическими характеристиками секции, которые зависят от конструкционных и режимных параметров. Это позволило определить цель и задачи исследования.

Цель исследования: обеспечение равномерной глубины рыхления почвы разработкой схемы конструкции и обоснованием параметров секции для широкозахватной пружинной бороны.

Объект исследования: технологический процесс работы широкозахватной пружинной бороны с секциями, обеспечивающими равномерную глубину рыхления почвы.

Предмет исследования: взаимосвязи конструкционных и технологических параметров секций широкозахватной пружинной бороны и агротехнических и энергетических показателей при условии обеспечения равномерной глубины рыхления почвы.

В качестве рабочей гипотезы принята возможность обеспечения

равномерной глубины рыхления почвы пружинными зубьями

широкозахватной бороны индивидуальным копированием секциями рельефа

поля за счет их поступательного в вертикальной плоскости перемещения,

обеспечиваемого четырехзвенным параллелограммным механизмом с

6

обоснованными конструкционными и режимными параметрами.

Определены следующие задачи.

1. Разработать конструктивно-технологическую схему секции широкозахватной пружинной бороны, обеспечивающей равномерное по глубине рыхление почвы на агрофонах различного типа.

2. Обосновать конструкционные и технологические параметры секции широкозахватной пружинной бороны. Выявить закономерности изменения агротехнических и энергетических показателей работы машинно-тракторного агрегата в зависимости от конструкционных и технологических параметров.

3. Провести лабораторные и лабораторно-полевые эксперименты для оценки агротехнических и энергетических показателей работы секции и широкозахватной пружинной бороны. Дать оценку экономической эффективности.

Научная новизна

1. Математически описан процесс функционирования секции широкозахватной пружинной бороны, отличительной особенностью которого является возможность учета характеристик рельефа поля при определении конструкционных и технологических параметров.

2. Обоснованы рациональные конструкционные и технологические параметры секции для широкозахватной пружинной бороны, обеспечивающие равномерное по глубине рыхление почвы. Особенностью разработанной секции является четырехзвенный параллелограммный механизм ее крепления к кронштейнам рамы бороны, обеспечивающий поступательное в вертикальной плоскости перемещение всех рядов рабочих органов, что создает условия для равномерного по глубине рыхления почвы.

3. Экспериментально определены агротехнические показатели работы и тягового сопротивления секции и широкозахватной пружиной бороны при различных значениях глубины обработки, скорости движения и типах

агрофона. Лабораторными и лабораторно-полевыми экспериментами установлено, что разработанная секция пружинной бороны обеспечивает равномерное и стабильное по глубине рыхление почвы при различных режимах работы машинно-тракторного агрегата, что позволяет выполнять технологические операции в соответствии с агротехническими требованиями.

Техническая новизна подтверждается патентами Российской Федерации на изобретение № RU 2779178 С1 «Борона пружинная» (приложение 1) и полезную модель №2 RU 222601 Ш «Секция пружинной бороны» (приложение 2).

Теоретическая и практическая значимость результатов

исследования

Математическое описание закономерностей изменения агротехнических и энергетических показателей работы широкозахватной пружинной бороны в зависимости от конструкционных и технологических параметров секций, обеспечивающих равномерное по глубине рыхление почвы, подтверждает выдвинутую гипотезу и является научной основой повышения эффективности широкозахватных бороновальных машинно-тракторных агрегатов.

Результаты лабораторных и лабораторно-полевых экспериментов позволили установить, что разработанная конструктивно-технологическая схема секции для широкозахватной пружинной бороны позволяет в широком диапазоне изменять технологические режимы машины, дифференцировать агротехнические и энергетические показатели работы при обеспечении равномерного и стабильного по глубине рыхления почвы.

Методология и методы исследования

Конструкционные и технологические параметры секции бороны определены на основе законов механики, с учетом требований технологий возделывания сельскохозяйственных культур и критериев ресурсосбережения.

Методики лабораторных и лабораторно-полевых экспериментальных

исследований разработаны на основе действующих стандартов с привлечением современного измерительного оборудования. При обработке результатов экспериментальных исследований использовались методы математической статистики и современное программное обеспечение.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Схема конструкции и параметры секции для широкозахватной пружинной бороны, обеспечивающей равномерную глубину рыхления почвы.

2. Взаимосвязь конструкционных и технологических параметров секции широкозахватной пружинной бороны, обеспечивающих равномерную глубину рыхления почвы, и агротехнических и энергетических показателей.

3. Методики экспериментальных исследований процесса работы секции и широкозахватной пружинной бороны.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Достоверность полученных результатов подтверждается лабораторными и лабораторно-полевыми экспериментами, проведенными на основе стандартных и оригинальных методик, а также производственным внедрением (приложение 3, приложение 4). Результаты исследований получили положительную оценку на научно-практических конференциях Южно-Уральского ГАУ (2021, 2022, 2023 гг.); на первом, втором и третьем этапах Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Министерства сельского хозяйства РФ в 2022 и 2023 гг.; на конкурсе молодежных проектов «Челябинская область -это мы!» в номинации «Лучший научно-исследовательский проект» (2023 г.).

Содержание диссертационной работы изложено в 19 научных статьях, из них 5 - издания, входящие в перечень рецензируемых; 1 - издание, входящее в базу Scopus. Получены патент на изобретение и патент на полезную модель. Широкозахватная пружинная борона прошла производственные испытания в крестьянском хозяйстве Рыболова Владимира Васильевича (Увельский район Челябинской области). Борона принята в

производство ООО «Челябинское монтажно-наладочное управление «Спецэлеватормельмонтаж».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего в себя 182 источника, в том числе 8 на иностранном языке. Работа содержит 173 страницы машинописного текста, 86 рисунков, 14 таблиц и 11 приложений объемом 56 страницы.

Глава 1. Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования

1.1. Современные аспекты применения машин для поверхностной обработки почвы

Обработка почвы является одним из наиболее важных и одновременно трудо- и энергозатратных процессов в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. Для получения стабильных и качественных урожаев сельскохозяйственных культур необходима обоснованная система обработки почвы, включающая в себя совокупность технологических операций, направленных на сохранение и повышение ее плодородия на всей глубине размещения корневой системы растений. Технологические операции должны иметь определенную последовательность и быть направлены на решение задач, определяемых агроклиматическими условиями, биологическими особенностями культур, засоренностью полей, агротехническими требованиями, а также составом и эксплуатационными свойствами применяемых машинно-тракторных агрегатов.

Основным классификационным признаком, по которому в нашей стране принято разделять приемы обработки почвы, а соответственно и машины, реализующие их, является глубина хода рабочих органов. По ГОСТ 16265-89 в данном случае выделяются четыре разновидности приемов [47]:

1) глубокая обработка почвы, проводимая на глубину свыше 24 см плугами, глубокорыхлителями, щелерезами, машинами с чизельными рабочими органами;

2) обычная обработка почвы, осуществляемая на глубину от 16 до 24 см отвальными и безотвальными плугами, разнообразными машинами с дисковыми рабочими органами;

3) мелкая обработка почвы, которая проводится на глубину от 8 до 16 см и включает в себя значительное многообразие операций: боронование, дискование, культивацию, шлейфование и т.д.;

4) поверхностная обработка, осуществляемая на глубину до 8 см, среди наиболее распространенных приемов можно назвать предпосевную культивацию, лущение, боронование зубовыми и пружинными боронами.

Перечисленные приемы объединяются в системы, которые принято называть технологиями обработки почвы. Анализировать их возможно с некоторыми допущениями, укрупненно выделив несколько видов: классическая (традиционная), почвозащитная (безотвальная), минимальная, нулевая (no-till) и производные от них. Для выполнения тех или иных операций обработки почвы требуются и соответствующие им машины. Так, при традиционной технологии предполагается использование отвальной вспашки как одного из ключевых ее элементов и комплекса машин для поверхностной обработки, направленной на влагосбережение, уничтожение сорняков, подготовку почвы к посеву, реализацию технологии внесения удобрений и пр. Есть мнение, что для реализации традиционной технологии достаточно использование только однооперационных машин [39, 60, 67, 121, 146]. Противоположным вариантом может являться минимальная технология, которая предполагает сокращение количества обработок почвы и снижение их глубины. При этом упор делается на машинно-тракторные агрегаты с комбинированными сельскохозяйственными машинами, применение которых позволяет сократить количество проходов по полю [62, 68, 75, 82, 91, 143]. Технология же no-till изначально не предполагает проведение почвообрабатывающих операций, кроме работ по посеву культур, выполняемых специализированными сеялками, и химической обработки, которая производится опрыскивателями [176, 177, 18]. Таким образом, в идеале для каждой из отмеченных технологий должен существовать свой набор специализированной техники.

Однако необходимо отметить, что в чистом виде указанные технологии применяются довольно редко и обусловлено это множеством факторов, среди которых можно выделить агроклиматические условия, перечень возделываемых культур, применяемый севооборот. Немаловажную роль играют также факторы технической вооруженности предприятия, возможности обновления машинно-тракторного парка, кадровой обеспеченности предприятия. В этой связи достаточно часто бывает так, что из календаря полевых операций изымаются или наоборот добавляются некоторые позиции, например, нередки случаи, когда при возделывании сельскохозяйственных культур отвальную вспашку заменяют менее энергоемкими дискованием и культивацией. Иногда это дает положительный эффект, в частности, на слабозасоренных полях [74, 142], однако приемы мелкой обработки почвы не позволяют в полной мере обеспечивать благоприятные условия работы последующих агрегатов, в частности это касается вопросов агротехнической проходимости машин в результате неполной заделки в почву пожнивных остатков. По этой причине становится затруднительной работа следующих в технологической цепочке машинно-тракторных агрегатов, выполняющих боронование и посев. Изложенное вынуждает проводить работы по модернизации машин с целью их адаптации к меняющимся условиям эксплуатации. Здесь в качестве одного из примеров можно привести оснащение машин для поверхностной обработки почвы планчатыми катками-измельчителями пожнивных остатков. Данное техническое решение позволяет повысить универсальность машин.

Другим примером может стать, казалось бы, не предполагающая

никаких обработок почвы нулевая технология. Однако, как показывает

производственный опыт, сельскохозяйственные предприятия при реализации

no-till достаточно часто сталкиваются с необходимостью проведения

дополнительных неглубоких обработок почвы в целях влагосбережения

(особенно это актуально для регионов засушливого земледелия) или

распределения соломы и пожнивных остатков по поверхности поля для

13

интенсификации процесса мульчирования [2, 17, 176, 177]. Данный аспект также предполагает создание либо новых машин, либо адаптацию имеющихся для работы в нетипичных условиях.

Отдельно следует сказать о предприятиях, принявших решение плавно переходить от одной технологии к другой. Как правило, такой переход занимает несколько лет и предполагает поэтапный перевод посевных площадей с одной системы на другую [36, 102, 103, 104]. В данном случае остро встает вопрос технической оснащенности процессов, поскольку используемая техника должна иметь определенную степень универсальности, чтобы ее примерно с равной эффективностью можно было применять при выполнении технологических операций в переходный период.

Учитывая значительное количество факторов, оказывающих влияние на агротехнические и технико-экономические показатели применения машинно-тракторных агрегатов, можно утверждать, что выпускаемая машиностроительными предприятиями техника должна иметь значительную степень универсальности. В этом заинтересованы как промышленные предприятия, которым, безусловно, выгодно крупное серийное производство машин под разные цели, имеющих незначительные отличия в конструкции, так и сельскохозяйственные предприятия, применяющие одну и ту же машину, при ее незначительной переналадке, для выполнения разнообразных операций. В полной мере это можно отнести и к машинам для поверхностной обработки почвы.

Аспекты универсализации сельскохозяйственных машин и возможности

их применения при возделывании сельскохозяйственных культур по

различным технологиям и в разных природно-климатических и

производственных условиях неоднократно рассматривались в работах В.В.

Бледных, А.М. Плаксина, Г.А. Окунева, Р.С. Рахимова, Н.К. Мазитова, С.Г.

Мударисова, И.Р. Рахимова, В.Л. Астафьева, В.И. Беляева, И.М.

Фархутдинова и ряда других ученых [21, 91, 103, 104, 116, 117, 118, 119, 124,

143, 142, 15, 16, 19, 20, 100, 145 ]. Из анализа работ можно заключить, что

14

универсальность сельскохозяйственных машин может быть обеспечена различными конструкционными и эксплуатационными мероприятиями. Так, учеными Южно-Уральского ГАУ под руководством В.В. Бледных, Р.С. Рахимова велись и ведутся исследования по разработке блочно-модульных почвообрабатывающих и посевных машин, конструкция которых предполагает адаптацию к различным условиям применения за счет сменных модулей с рабочими органами. Данные разработки получили развитие в работах Е.О. Фетисова [161], Д.А. Ялалетдинова [182]: универсальный носитель (рама или посевная секция) на сельскохозяйственной машине дает возможность переоснащения сменными рабочими органами разного типа для решения широкого спектра задач.

Интересна также идея универсализации сельскохозяйственных машин за счет применения специальных рабочих органов. Речь идет о рабочих органах, которые могут эффективно обрабатывать почву при разном состоянии агрофона, например, универсальная цепная борона БЦД-12 разработки В.И. Двуреченского [57] и А.А. Курача [80], рабочий орган которой эффективно обрабатывает почву на разных агрофонах, что позволяет использовать машину для закрытия влаги в традиционной технологии или для интенсификации процессов мульчирования почвы при no-till. В работах Р.А. Косульникова [154, 101] обосновывается перспективность использования рабочих органов на пружинных стойках для решения широкого спектра задач. Можно также выделить работы П.Г. Свечникова [25, 147], который обосновал создание универсальных рабочих органов машин для основной обработки почвы.

Кроме универсальности, агрегаты с современными

сельскохозяйственными машинами должны обеспечивать высокую

производительность. Это, казалось бы, очевидное требование уже

продолжительное время остается одним из наиболее существенных при

создании новой техники и обусловлено оно значительным дефицитом

квалифицированных кадров в сельскохозяйственных предприятиях. Данный

15

вопрос неоднократно рассматривался в работах А.М. Плаксина [118, 119, 120, 35], В.В. Бледных, Н.К. Мазитова [23, 125]. Известными способами повышения производительности агрегатов является увеличение мощности двигателей, ширины захвата машин и повышение рабочих скоростей.

Примерно такие же проблемы характерны и для зубовых борон. Так, традиционные бороны типа БЗСС-1,0 и БЗТС-1,0 достаточно эффективны при рыхлении и выравнивании почвы на агрофонах чистых от пожнивных остатков, что позволяет использовать их в так называемой классической технологии возделывания сельскохозяйственных культур для закрытия влаги, борьбы с сорняками, заделки минеральных удобрений и т.д. Наличие же соломы на поверхности поля, даже в измельченном виде, делает применение данных машин невозможным. Современные тенденции развития растениеводства, предполагающие измельчение и поверхностное распределение соломы при одновременной замене отвальной вспашки на менее энергоемкие виды обработки почвы, обусловливают для сельскохозяйственных предприятий вопрос замены традиционных борон с жесткими зубьями на более подходящие машины. Альтернативой агрегатам с боронами БЗСС-1,0 и БЗТС-1,0 являются машины с пружинными рабочими органами. Пружинные зубья более универсальны и могут быть достаточно эффективны на операциях, связанных с рыхлением и выравниванием почвы, заделкой минеральных удобрений и распределением пожнивных остатков по поверхности поля.

Немаловажен также аспект, поднимаемый в работах А.П. Бодалева, А.Н.

Чернявского и др., которые высказываются о более высоких показателях

производительности агрегатов с пружинными боронами [27, 28, 169, 170, 167,

168, 169]. Это достигается как увеличением ширины захвата, так и работой на

повышенных скоростях. Монтаж почвообрабатывающих секций борон на

раме бороны за счет упругих либо жестких элементов позволяет создавать

машины шириной захвата 21 м и более, которые работают при скоростях

15...18 км/ч. Использование же гидрофицированных рам является

16

стандартным решением для пружинных борон и позволяет значительно снизить затраты времени на транспортные переезды и подготовку агрегата к работе.

Таким образом, пружинные бороны в полной мере отвечают современным аспектам использования сельскохозяйственных машин, поскольку обладают высокой производительностью, имеют универсальные рабочие органы и могут быть использованы для выполнения широкого круга задач.

1.2. Требования, предъявляемые к работе пружинных борон

Мелкая обработка почвы зубовыми боронами и их аналогами - важная технологическая операция. При этом, не смотря на относительную простоту применяемых машин, многие видные ученые акцентировали внимание на тщательную их подготовку перед проведением технологических операций и последующий контроль качества выполненных работ.

В исследованиях Т.С. Мальцев неоднократно высказывалось мнение о высоком значении операций обработки почвы зубовыми боронами для получения высоких и качественных урожаев [94, 95]. Так, в частности отмечается первостепенное значение операции боронования для влагосбережения, причем отмечается важность не только ранневесеннего боронования, но и периодических обработок боронами паровых полей для сохранения влаги. Ученый считал также обработку почвы зубовыми боронами одним из обязательных элементов в борьбе с сорной растительностью. Вместе с тем Т.С. Мальцева указывал на необходимость тщательной настройки и подготовки агрегатов для боронования, указывая при этом на существенные недостатки, проявляющиеся в работе неправильно подготовленных зубовых борон.

Важность обработки почвы зубовыми боронами как одного из основных агротехнических приемов, направленных на влагосбережение, отмечается в работах видных ученых в области минимальной технологии - Х.П. Алена и П.П. Колмакова [13, 72].

Имея в виду опасные факторы от использования зубовых борон в эрозионноопасных зонах, академик А.И. Бараев рекомендовал с особой тщательностью подходить ко времени проведения операций и подготовке машинно-тракторных агрегатов [123, 169, 170].

Как было отмечено ранее, пружинные бороны - универсальные машины, которые могут быть эффективно использованы для влагосбережения, борьбы с сорняками и ряда других операций. Рассмотрим основные показатели качества, которым должна удовлетворять работа борон с пружинными рабочими органами. Здесь необходимо отметить, что пружинные бороны -относительно новый класс машин для нашей страны, ранее для этих целей наиболее широко использовалось два типа борон: бороны с жестким зубом типа БЗСС-1,0 и БЗТС1,0, и ротационные мотыги. Последние применялись и применяются на агрофонах с большим количеством пожнивных остатков, а также для обработки стерневых фонов.

Косвенно о новизне можно судить по количеству и времени появления первых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, посвященных разработке и совершенствованию борон с пружинными рабочими органами.

С некоторыми допущениями прообразом современной пружинной

бороны можно считать пружинно-зубчатую борону, которую в 1887 году

запатентовал в США П.А. Спайсер [6]. Наиболее же близким прототипом по

отношению к современным машинам можно считать почвообрабатывающее

орудие, также запатентованное в США в 1956 году К.Е. Мелро [5]. В то же

время одни из первых отечественных разработок в данной области, исключая

из рассмотрения пружинные загортачи к сеялкам, относятся к 80-м годам

прошлого века; здесь можно выделить борону с пружинными Б-образными

18

зубьями, которую разработал К.Г. Старк [12]. Исходя же из общего количества патентов в РФ, значительные исследования в области пружинных борон и рабочих органов к ним проводились в промежутке 2010...2020 гг. [109, 110, 111, 112, 114, 113].

При оценке качества технологического процесса пружинных борон используются в основном требования, аналогичные тем, которые применяются к боронам с жесткими зубьями. И здесь проявляются определенного рода противоречия, поскольку данные машины имеют принципиально разные рабочие органы, конструкцию, а соответственно и технологические возможности.

Рассмотрим технологические операции, где могут быть использованы и используются зубовые бороны, а также машины, относящиеся к данному классу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шалонкина Евгения Владимировна, 2024 год

в™ -

Ос • У Ос - (217 + 22 )(У21 + У2 2 + У2 3 ) .

(2.90)

бп

Тогда вертикальная проекция реакции в шарнире будет иметь вид

7 - О -'

2шп Ос

О - 3(2/ + )- Ос ' УОсс - (21 + 22 )(У21 + 2 + У23 ) . (2.91)

С 1 2 Ьбп

Анализ сил, приложенных к боковой секции в продольно-горизонтальной плоскости, показывает, что данная система является статически определимой (рисунок 2.23). Для определения усилий, возникающих в наклонной тяге, составим следующую систему уравнений:

XX - 0; -Ят • вт(ат ) + З^/ + х2 + Рп )+ 0пх - Xшп - 0, (2.92) где 3 - количество секций с рабочими органами (при Вр=21 м);

X У - 0; 7щп - Ят • сс8(ат ) - 0;

(2.93)

- уравнение моментов относительно шарнира Ошп:

XМ - 0; Ят • Кт - (хl/ + X; + Рп)(У21 + У22 + У23)- бпх • hвп - 0 , (2.94)

где кят - кратчайшее расстояние от точки Ошп до линии действия усилия Ят, м. Сила Qпх определяется как

0пх Уп 0пг ,

где _/п - коэффициент сопротивления перекатыванию.

(2.95)

Рисунок 2.23 - Силы, действующие на боковую секцию бруса-рамы бороны в поперечно-горизонтальной плоскости

Таким образом, усилие, возникающее в продольной тяге, можно определить по следующей зависимости:

+ х2 + Ри+ ^2 + ^3) + /п • <2п* ■ кеп . (2.96)

Лт — ■

к

лт

Составляющие реакции в шарнире можно вычислить как

— 81п(ат )

Хшп — /п • е + з(х + х2 + Ри) Г(х( + х2 + Ри J(Уzl + ^2 + ^3 ) + /п • Япк • к

еп

к

1Шп — СОЗ(«т )

+ х2 + Ри+ Уz2 + Уz3)+ /п • бПх • к

еп

к

Лт

(2.97)

(2.98)

Рассмотрим силы, действующие на центральную секцию бруса-рамы бороны в продольно-вертикальной плоскости (рисунок 2.24), составив следующие уравнения статики:

^X — 0; 2Хшп + Рп + Х + Х2 — 2Хр — 0; (2.99)

^Z — 0; —2ZШп — Оц + Zl + Z2 + 2Zp — 0 . (2.100)

Таким образом, реакции в поперечных шарнирах Ор, при прочих

известных составляющих уравнений можно определить как

2Хшп + РП + Х1 + Х2 • (2.101)

(2.102)

—

7 р —

2

2Z шп + — X — Z 2

2 7

%

Ас

о" V ^ ТВ» + . 72, 7г,Л

о31 —1

О

X

Рисунок 2.24 - Силы, действующие на центральную секцию бруса-рамы бороны в продольно-вертикальной плоскости

Рисунок 2.25 - Схема к расчету момента Мр

Момент, стремящийся развернуть брус-раму вокруг шарниров Ор (рисунок 2.25), может быть определен по следующим уравнениям:

Xм р - 0; ЬОц (Оц + 2Ос )+ 7(21 • *21 + 2 2 • *22 - ^ (X1 + X2 )-рп • )+ (2 103)

+ 20пх • гвп + 2вш • хвп - 0. где кос, Х21, Х22, -х, ^п, л^п - кратчайшее расстояние от точки Ор до

линии действия усилий ^ц+20с), 21, 22, (Х1+Х2), ^п , Qпx, Qп2 соответственно,

м; 7 - количество секций с рабочими органами на бороне (при Вр=21 м).

Рассмотрим характер сил, действующих на сницу бороны в продольно-

вертикальной плоскости (рисунок 2.26), составив систему (2.104), (2.105) и

(2.106). Определив данные силы, можно, в частности, вычислить тяговое

сопротивление бороны в целом.

б

а - продольно-вертикальная плоскость; б - продольно-горизонтальная плоскость Рисунок 2.26 - Силы, действующие на сницу бороны

X X - 0; -ЯБ + 2ЯТ • ео8 рт + 2Хр + 20сх - 0;

80

(2.104)

Xг = 0; 20сг - Ссн + 2Zр + Р = 0 . (2.105)

Уравнение моментов составим относительно точки прицепа бороны к трактору Отр:

XМ = 0; -Осн • + 20С2 • хе2 + 20сх • гех - 2гр • хр = 0, (2.106)

где Хсн, хо2, 20*., Хр- кратчайшее расстояние от точки Отр до линии действия усилий 0сн, 0сх, 0сх, соответственно, м.

Принимая во внимание зависимость (2.107)

Осх = /пЯсг . (2.107)

запишем выражение для определения вертикальной реакции опоры 0с1 следующим образом:

G • х + 2Z1

Qcz =

GCH • хсп + 2Zр • хр . (2.108)

2(XQZ + /и • ZQx )

Тяговое сопротивление можно определить ио зависимости вида

R = 2(RT • cosрт + + /nQcz ). (2.109)

Используя исходные данные, представленные в таблице 2.1, рассчитаем силовые характеристики для тяжелой бороны с шириной захвата 21 м, которая имеет семь секций с параллелограммной системой крепления, каждая из которых шириной 3 м.

Таблица 2.1 - Исходные данные

Обозначение Величина Обозначение Величина Обозначение Величина

Гп 0,15...0,20 XQ^ м 0,20...0,50 hF, м 0,25...0,50

XQz, м 4,0...6,0 yz1, м 1,6 hz1, м 0,5...0,7

ZQx, м 0,40...0,80 yz2, м 4,6 ho1, м 0,35

Хсн, м 4,0...7,0 yz3, м 7,6 hx2, м 0,5...0,7

Xp, м 5,0...8,0 hQи, м 8,5 hx1, м 0,5...0,7

вт, град. 40...70 кят, м 3,0...5,0 Rx, кН 0,5...3,5

ат, град. 20...50 УОц, м 4,5 ho2, м 0,60

Ивц, м 1,2 Осн, кН 18,0...30,0 hz0, м 1,0.1,4

Оц, кН 8,0 Ос, кН 26,0 hz2, м 0,5...0,7

Xz1, м 0,8 hRZ, м 0,60...0,80 zf, м 0,25...0,40

Xz2, м 1,8 Икх, м 0,70...1,00 ZQи, м 0,40...0,80

Zx, м 0,4...0,7 Ур, км/ч 8,0...16,0 — —

Зависимости (2.79)...(2.82) позволяют определить реакции, возникающие в шарнирах продольных кронштейнов рамы, а по зависимости (2.83) возможно рассчитать усилие, которое должно развиваться блоком компенсирующих пружин при различных значениях тягового сопротивления (рисунок 2.27).

Х,,кН;Х,, кН; .

Ъу, кН; Ъг, кН;

0,5 1.0 1.5 2.0 2,5 3,0<.кН

тяговое сопротивление секции

Рисунок 2.27 — Зависимость реакций в шарнирах продольных поддержек секции и усилия, развиваемого блоком компенсирующих пружин, от тягового сопротивления секции

С увеличением тягового сопротивления, приложенного к секции, имеет место рост Х\„ Х2, 2\ и 2г„ причем силы в передней паре шарниров выше. Для сохранения равномерности глубины обработки при увеличении Ях необходимо также корректировать в большую сторону усилие, развиваемое блоком компенсирующих пружин ХП.

Момент Мр (2.103), приложенный к брусу—раме и стремящийся развернуть ее вокруг поперечных шарниров Ор, возрастает с увеличением тягового сопротивления Ях конструкционного параметра гх, при уменьшении Х2. Указанные параметры целесообразно ограничить, гх в данном случае определяется длиной /тяг и должен быть не более 0,50 м, вылет Хг2 необходимо принять по возможности более 1,50 м (рисунок 2.28). В рассматриваемом случае при гх порядка 0,5 м и Хг2 около 2,0 м величина момента снижается до приемлемых значений — порядка 5,0 кН/м. Действие данного момента будет по большей части скомпенсировано весом машины.

тяговое сопротивление секции

а

тяговое сопротивление секции б

Рисунок 2.28 — Изменение величины крутящего момента, действующего на брус—раму в зависимости от тягового сопротивления секции и месторасположения шарниров

по высоте (а) и вылету (б)

Определим величину реакции почвы на опорное колесо сницы бороны (рисунок 2.29). В рассматриваемом случае реакция Q еъ зависит от удельного сопротивления и при XQz=5 м составляет 1,8...4,3 кН. Снижение Qеz с ростом удельного сопротивления можно объяснить увеличением вертикальных составляющих 2 р в шарнирах, соединяющих сницу и брус—раму, которая по расчетам имеет отрицательное значение и соответственно направлена вверх.

Оценим величину тягового сопротивления бороны при различных значениях ширины захвата Вр с учетом указанных выше параметров. Рассмотрим машины с шириной захвата 27, 21 и 15 м, имеющих соответственно 9, 7 и 5 секций (рисунок 2.30).

Тяговое сопротивление Яб бороны в целом в зависимости от ширины захвата и глубины обработки варьируется в диапазоне от 15,0 до 54,0 кН. При комплектовании агрегатов можно предварительно рекомендовать бороны с шириной захвата более 21 м и 27 м для тракторов тягового класса 5—6, борону с шириной захвата 15 м — для тракторов тягового класса 3—4. В данном случае это может быть оправдано для предприятий, у которых нет необходимости перемещать агрегаты по дорогам общего пользования при транспортных переездах.

бсг.кН

Я

5 6

= 4

/Чд=С

II ]_ II

5

.4 кН/м

,8 кН/м ,2 кН/м

расстояние от точки прицепа до опорного колеса

Рисунок 2.29 — Изменение величины реакции почвы на опорное колесо сницы

в зависимости от его расположения относительно точки прицепа и удельного сопротивления

Б'

х о о. о ю

к

I-

о о, с о -о и о я о

кН

60

50 40 30 20 10

„ ¿А*

[Л

В

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 глубина обработки

а, м

Рисунок 2.30 — Изменение величины

тягового сопротивления бороны в зависимости от глубины обработки

Следует также отметить, что при увеличении значения Хп имеет место линейный рост тягового сопротивления (рисунок 2.31).

к 40,0 »§35,0

си

§30,0 ¡25,0

н

§"20,0

| 15,0

¡10,0 н

а=0,08

«=0,06 м ^

¿/=0,04 м

2.0 4,0 6,0 8,0 усилие блока пружин

а

кН

50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0

€Г0 08 м-

а=0,06 м

«=0,04 м

2,0 4,0

6,0

8,0 10,0 ^п,кН

усилие блока пружин

б

Рисунок 2. 31 — Изменение величины тягового сопротивления бороны в зависимости от усилия, развиваемого блоком компенсирующих пружин секции (а - при Вр=15 м, б - при Вр=21 м)

На практике причиной такого явления может стать дополнительное заглубление пружинных зубьев в почву под действием усилия компенсирующих пружин. В этой связи за счет изменения усилия Хп возможно добиться необходимой глубины хода рабочих органов при работе агрегата на

повышенных скоростях, а также на почвах с высокой твёрдостью (рисунок 2.32).

л ж о а о

УО

о к в

4)

3

г

-

о с. с

о о <и о 2] О и-

£

кН

60

50 40 30 20 10 о

1 /•"„при а=8 см

щ и (7=8 гм

—■" 7

ри 0-6 --

F„пm а =6 см

ДБ П] эи а=4 см

о 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 рабочая скорость

К'

кН

8,0 6,0 4.0 2,0 0

X

к

3 2 >. п. к

0

1

и

с Е о К из ы о

4 ю и

5

к £

I

I &

ур, км/ч

Рисунок 2.32 — Изменение величины тягового сопротивления бороны и усилия блока компенсирующих пружин в зависимости от рабочей скорости агрегата

Анализируя полученный график (рисунок 2.32), отметим, что усилие блока компенсирующих пружин ^п для обеспечения равномерной глубины рыхления почвы следует увеличивать с ростом рабочей скорости и повышения твердости почвы. Проведенные расчеты показали, что при глубине обработке не более 4 см для обеспечения равномерной глубины рыхления достаточно веса секции.

Основные выводы по главе 2

На основе результатов теоретических исследований сформулированы следующие выводы:

1. Моделирование технологического процесса работы секций борон, имеющих разные конструкционные схемы, позволило установить, что обеспечить равномерную глубину рыхления почвы возможно при одновременном поступательном перемещении в вертикальной плоскости всех рядов рабочих органов секции во время прохождения неровностей рельефа

поля. Данный технологический режим может быть обеспечен за счет использования четырехзвенного параллелограммного механизма в конструкции секции.

2. Разработана схема конструкции и обоснованы конструкционные и технологические параметры секции для широкозахватной пружинной бороны. Секция крепится к продольным кронштейнам рамы бороны через четырехзвенный параллелограммный механизм и снабжена блоком компенсирующих пружин, что обеспечивает равномерное по глубине рыхление почвы.

3. Определены основные параметры зубового поля секции пружинной бороны. В условиях постоянной высоты расположения рамки секции Ио относительно поверхности почвы агротехнические требования будут выполняться при расстоянии между следами зубьев Д=62 мм, расстоянии между рядами рабочих органов 5=450 мм и ширине захвата секции Вс=3100 мм.

4. Исследованиями кинематической схемы широкозахватной пружинной бороны установлено, что в ходе технологического процесса во время перемещения агрегата по полю, неровности рельефа которого характерны для зоны Южного Урала, величина вертикальных перемещений продольных кронштейнов крепления секций составляет 0,20...0,23 м. Это обусловливает неравномерное по глубине рыхление почвы и снижает качество технологического процесса.

5. Получена математическая модель, описывающая перемещение секции

бороны в зависимости от ее конструкционных и технологических параметров

при взаимодействии рабочих органов с почвой. Модель позволила выявить

основные конструкционные и технологические параметры секции, влияющие

на равномерность глубины рыхления почвы. Равномерность глубины

рыхления может быть обеспечена при определенной величине длины

наклонных тяг /тяг, а также первоначальном угле их установки фо. Необходимая

глубина хода рабочих органов определяется в том числе местом крепления

86

блока компенсирующих пружин к передней паре наклонных тяг секции и усилием ^и.

6. Установлено, что для равномерного по глубине рыхления почвы длина наклонных тяг секции должна составлять /тяг=1,0 м, при величине первоначального угла их установки фо=45о. Необходимая глубина обработки обеспечивается при варьировании усилия блока компенсирующих пружин ^п в диапазоне 4,0.8,0 кН, в этом случае величина параметра, характеризующего место его установки, должна составлять п=3. Жесткость блока компенсирующих пружин с при указанных параметрах должна составлять 240 .280 Н/мм.

7. Аналитически установлено повышение величины тягового сопротивления секции бороны при увеличении усилия блока компенсирующих пружин ^П. На практике это может выражаться в увеличении глубины обработки почвы, за счет чего появляется возможность более точно дифференцировать технологическую настройку рабочих органов бороны по глубине в зависимости от агрофизических условий и скорости движения агрегата.

8. Анализ силовых характеристик широкозахватной пружинной бороны с разработанными секциями позволил определить величины тягового сопротивления машины в зависимости от конструкционных и технологических параметров, а также от ширины захвата машины:

— при ширине захвата Вр=15 м тяговое сопротивление варьируется в диапазоне Яб=15,0. . .27,0 кН;

— при ширине захвата Вр=21 м тяговое сопротивление варьируется в диапазоне Яб=20,0 ... 39,0 кН;

— при ширине захвата Вр=27 м тяговое сопротивление варьируется в диапазоне Яб=26,0. . .53,0 кН.

Глава 3. Методика проведения

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

При известной высокой степени универсальности тяжелой широкозахватной пружинной бороны условия работы машинно—тракторного агрегата могут быть весьма разнообразны. Для подтверждения результатов теоретических исследований в плане возможности качественного выполнения работ при тех или иных условиях разработана объемная программа экспериментальных исследований, включающая в себя следующее:

1. Лабораторные экспериментальные исследования с целью изучения процесса движения макета секции бороны во время преодоления неровностей микрорельефа в условиях почвенного канала.

2. Лабораторные эксперименты в условиях почвенного канала с целью подтверждения объективности результатов теоретических исследований в части выявления рациональных конструкционных и режимных параметров макета секции бороны с параллелограммной подвеской, а также оценки влияния данных параметров на тяговое сопротивление и агротехнические показатели работы.

3. Лабораторно—полевые экспериментальные исследования на двух типах агрофона для выявления энергетических, агротехнических и технико— экономических показателей работы машинно—тракторного агрегата в составе с экспериментальной тяжелой широкозахватной пружинной бороной.

При проведении лабораторных и лабораторно—полевых исследований проводилось определение физико—механических свойств почвы, дополнительно при лабораторно—полевых экспериментах по оценке равномерности распределения соломы оценивались физико—механические свойства пожнивных остатков.

3.1. Объект исследования

Для получения экспериментальных результатов исследования были изготовлены макет секции бороны для проведения экспериментов в условиях лаборатории «Почвенный канал» и экспериментальный образец широкозахватной тяжелой пружинной бороны с разработанными секциями.

Макет секции бороны (рисуноки 3.1, 3.2) включает в себя раму 1 для крепления на приводной тележке канала, тяги 2 параллелограммных подвесок, рамку 3 секции, опорные трубы 4, пружинные зубья 5, компенсирующую пружину 6 с механизмом 7 изменения ее предварительного натяжения, упорный швеллер 8. Угол установки пружинных зубьев изменялся посредством регулировочного механизма 9. Наличие проушины 10 и упорного швеллера 8 позволяет устанавливать стандартное ^—образное тензозвено для определения тягового сопротивления секции.

Конструкция секции позволяет измененять величины следующих конструкционных и технологических параметров: первоначального угла ф0 установки тяг параллелограммного механизма от 45 до 90 градусов; угла у установки пружинных зубьев — от 30 до 90 градусов; предварительного усилия ^п компенсирующей пружины — от 0 до 2,5 кН (рисунок 3.1 б). Изменение приведенных параметров в указанных пределах в соответствии с программой лабораторного эксперимента должно подтвердить результаты теоретических исследований.

Схема и экспериментальный образец тяжелой широкозахватной пружинной бороны с секциями, обеспечивающими равномерную глубину рыхления почвы, представлены на рисунках 3.3; 3.4; 3.5.

Изготовленная борона имеет семь почвообрабатывающих секций 4, размещенных на продольных кронштейнах 6. Длина наклонных тяг параллелограммных механизмов постоянна: /тяг=1000 мм (рисунок 3.3). Конструкцией предусмотрен блок компенсирующих пружин 2 для каждой секции с возможностью изменения предварительного усилия ^п в пределах от

4,0 до 8,0 кН посредством винтового механизма. Угол установки у пружинных

зубьев регулируется в пределах от 30 до 90 градусов, посредством винтовых

регуляторов 5.

1 — рама;

2 — тяги параллелограммного

механизма;

3 — рамка секции;

4 — трубы опорные;

5 — пружинные зубья;

6 — пружина компенсирующая;

7 — механизм регулировки

компенсирующей пружины;

8 — швеллер упорный;

9 — механизм регулировки угла

установки зубьев;

10 — проушина

11 — механизм регулировки угла наклона зубьев

фо — первоначальный угол

установки наклонных тяг; у — угол установки пружинных

зубьев, град, Хп - усилие, развиваемое

компенсирующей пружиной, кН

б

а — общий вид; б — регулируемые параметры

Рисунок 3.1 — Схема макета секции бороны для проведения экспериментальных исследований в почвенном канале

Рисунок 3.2 — Общий вид макета секции бороны для проведения экспериментальных

исследований в почвенном канале

а

Изменяя технологические режимы работы бороны в соответствии с программой лабораторно—полевых экспериментов при установленных конструкционных параметрах, возможно определить агротехнические, энергетические и технико—экономические показатели работы машинно— тракторного агрегата.

1 — сница; 2 — прицепная серьга; 3 — опорное колесо сницы; 4 — центральная секция бруса—рамы; 5 — гидроцилиндр; 6 — боковые секции бруса—рамы; 7 — опорное колесо

боковой секции бруса—рамы; 8 — шарнир; 9 — продольная тяга; 10 — продольные кронштейны; 11 — наклонные тяги; 12 — секция с рабочими органами; 13 — винтовой

регулятор

Рисунок 3.3 - Схема тяжелой пружинной бороны

а — транспортное положение; б — рабочее положение

Рисунок 3.4 - Общий вид тяжелой пружинной бороны

т.

а — с трактором Я8М—2375 (на паровом поле); б — с трактором К—744Р3 (на поле после уборки зерновых колосовых культур)

Рисунок 3.5 — Машинно—тракторные агрегаты с тяжелой пружинной бороной при проведении лабораторно—полевых экспериментов

3.2. Методика определения физико-механических свойств почвы и пожнивных остатков

В ходе лабораторных и лабораторно—полевых экспериментов определялись следующие физико—механические свойства почвы: влажность, твердость, плотность для трех слоев почвы на глубинах 0-5 см, 5-10 см и 1015 см.

Дополнительно в ходе лабораторно—полевых экспериментов определялись характер микрорельефа; тип почвы; характеристика растительных остатков на поле.

Влажность почвы определялась весовым способом с использованием оборудования, представленного на рисунке 3.5. Отобранные (на месте

проведения экспериментов) пробы были перевезены в лабораторию, где производилось их взвешивание до и после сушки в сушильном шкафу. Влажность почвы рассчитывалась по формуле

= тв—100 %, т

(3.1)

где шъ - масса влажной почвы, г; шс - масса сухой почвы, г.

Суммарная относительная погрешность измерения влажности при доверительной вероятности 0,95 не превышала 10%.

а -пробоотборник ППБ; б - весы электронные ВК—1500; в - шкаф сушильный ШС—80 Рисунок 3.5 - Оборудование для определения влажности почвы

Твердость почвы при проведении лабораторных и лабораторно—полевых экспериментов определена твердомером А.Н. Ревякина (рисунок 3.6). Погрешность измерений твердости почвы не превышала 10%. Величина твердости подсчитывалась по формуле

Г = к к,

п ср р

(3.2)

где ИСр - середина ординаты на криволинейном участке ординаты, см; к -жесткость пружины, Н/см2; Хн - площадь поперечного сечения наконечника,

см2

а б

Рисунок 3.6 - Определение твердости почвы статическим твердомером А.Н. Ревякина в лаборатории «Почвенный канал» (а), при лабораторно—полевых экспериментах (б)

Количество замеров твердости почвы на местах проведения экспериментов составляло не менее 24 в каждом случае.

Отбор проб почвы для оценки плотности осуществлялся при помощи цилиндрического пробоотборника с тонкими стенками. Масса пробы определялась при помощи весов ВК-1500. Расчет плотности проводился по формуле

Р. = m, (3.3)

п

где ши - масса образца почвы, г; Vu - объем образца почвы, см3.

Пробы для оценки плотности отбирались в 6 - кратной повторности.

Влажность измельченной после прохода зерноуборочного комбайна соломы определялась при помощи анализатора Satrorius MA35 с предельной относительной погрешностью 0,05%. В соответствии с рекомендациями ГОСТ ISO 6497-2014, ГОСТ ISO 6498-2014, ГОСТ Р 57059-2016 с поля были отобраны в алюминиевые бюксы пробы измельченной соломы, далее пробы были подготовлены и помещены в анализатор [54, 55, 56].

Фракционный состав измельченной соломы определялся при помощи металлической линейки по ГОСТ 427-75, одновременно с оценкой равномерности распределения пожнивных остатков до и после прохода экспериментальной бороны. Относительная погрешность измерений составляла не более ±10%. В ходе замеров определялась средневзвешенная

94

длиа измельченной соломы [69]:

п

/ , (3.4)

сР п

Е®«

г=1

где ¡1 - средняя длинна соломы в /—й размерной фракции, г; юг- - доля фракции в общей массе пробы, %.

3.3. Программа лабораторных экспериментальных

исследований

Разработанная методика лабораторных экспериментальных исследований предполагала следующее:

- оценку условий проведения эксперимента;

- исследование равномерности глубины рыхления почвы пружинными зубьями;

- определение величины тягового сопротивления.

3.3.1. Исследование процесса движения макета секции бороны во время преодоления неровностей поверхности почвы

В целях подтверждения гипотезы проведены лабораторные экспериментальные исследования с макетом секции в почвенном канале [9, 10, 11].

Для объективной оценки равномерности глубины обработки почвы

пружинным зубом в момент его перемещения в почве в качестве основного

критерия использовано усилие Рз. Очевидно, что при выровненном

гранулометрическом составе и одинаковой твердости почвы в зависимость

усилия Рз от глубины хода пружинного зуба характеризуется сильной

корреляцией. Так, при возрастании глубины обработки усилие Рз возрастает,

при уменьшении глубины - снижается. При этом имеется возможность

95

одновременной оценки в режиме реального времени усилий Рз, действующих на пружинные зубья, расположенные на различных рядах рамки секции.

Для оценки усилия, действующего на пружинные зубья макета секции, предполагалось провести две серии экспериментов:

- определение усилий, действующих на зубья трех рядов секции при прохождении над возвышенностью рельефа;

- определение силы, действующей на единичный зуб при последовательном прохождении секции над возвышенностью и углублением.

Эксперимент проводился в условиях лаборатории «Почвенный канал» на лабораторной установке (рисунки 3.8, 3.9).

Разработанная и изготовленная лабораторная установка состоит из макета секции 2 с четырехзвенным параллелограммным механизмом крепления. Установка монтировалась на опорные балки приводной тележки 1 почвенного канала. На поверхности почвы была спрофилирована неровность 3 из уплотненной почвы. На пружинные зубья всех рядов в верхних точках были наклеены тензорезисторные датчики 6. Сигнал от датчиков во время преодоления неровности поступал по кабелям 5 к измерительно-вычислительному комплексу М1С-400Б 4.

1 - опорная тележка почвенного канала;

2 - секция бороны;

3 - неровность микрорельефа;

4 - измерительно-вычислительный комплекс М1С-400Б;

5 - кабели измерительных каналов;

6 - тензорезисторные датчики

Рисунок 3.8 - Схема лабораторной установки для исследования процесса

движения секции бороны

а б

а — общий вид лабораторной установки; б — расположение тензорезисторных датчиков на пружинных зубьях Рисунок 3.9 - Макет секции для исследования процесса движения секции бороны

Неровности представляли собой последовательно идущие друг за другом участки для первой серии экспериментов - приямок, выровненный участок, возвышенность и приямок (рисунок 3.10 а), для второй серии-приямок, выровненный участок, углубление (рисунок 3.10 б). Приямок требовался для вертикального вывешивания пружинных зубьев в целях установки показаний датчиков на ноль перед началом эксперимента. Неровности имели следующие параметры: возвышенность длиной 1,2 м и высотой 0,1 м; углубление длиной 1,2 м и глубиной 0,1 м.

Выровненный участок

Приямок

1

. ь ! *

■ ч' ч

' ' "V

Возвышенность

б

1

Углубление

а - при оценке величины усилий Рз для зубьев трех рядов секции; б - при оценке

величины усилия Рз для единичного зуба Рисунок 3.10 - Схема профиля поверхности почвы при проведении экспериментов

а

Тензорезисторные датчики размещались в верхней части пружинного зуба в некотором отдалении от места перехода витой части к стержневой по условиям допустимой величины деформации (определена опытным путем), которую может зафиксировать датчик при сохранении своей работоспособности (см. рисунок 3.9 б).

Общий вид использованных тензорезисторных датчиков (приложение 6), их технические характеристики, а также порядок подготовки поверхности пружинных зубьев к наклейке и процесс наклейки изложены в приложении 6. Тензорезисторные датчики были собраны по мостовой схеме в общий разъем. Сигнал от датчиков поступал на комплекс М1С-400Б по трем измерительным каналам, каждый из которых тарировался отдельно с помощью установки ВИМ (рисунок 3.11). Методика тарирования предполагала поэтапное нагружение зафиксированного пружинного зуба изгибающим усилием от нуля до 200 Н, кратковременную перегрузку и последующее разгрузку с 200 Н до нуля. В процессе тарирования фиксировалась также деформация пружинного зуба по отклонению стержневой части от первоначального положения.

Рисунок 3.11 - Прибор для тарирования измерительных каналов

Эксперимент осуществлялся в такой последовательности: после установки необходимых величин конструкционных и технологических параметров макет секции бороны подводился к неровности микрорельефа.

Далее секция преодолевала неровность, при этом рабочие органы секции под действием нагрузки деформировались, что фиксировалось измерительно-вычислительным комплексом М1С-400Б по трем каналам посредством тензорезисторных датчиков. Статистическая обработка полученной по трем каналам информации проводилась в пакете "^пПОС 3.2.8.31.

В качестве отклика в эксперименте принята средняя величина усилий Рз, воздействующих на пружинные зубья в ходе их взаимодействия с почвой. Суммарная относительная погрешность измерения величины усилий Рз при доверительной вероятности 0,95 не превышала 1,5%.

В качестве управляемых факторов при проведении эксперимента были выбраны:

- угол установки у, град., пружинных зубьев. Угол установки варьировался при помощи регулировочного механизма секции. Установленная величина угла контролировалась угломером с абсолютной погрешностью ±2';

- величина усилия ^п, кН, создаваемого компенсирующей пружиной секции. Величина его варьировалась при помощи винтового механизма. Установленная величина усилия контролировалась динамометром с погрешностью ±2%.

Величины управляемых факторов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Управляемые факторы и интервалы их варьирования при оценке равномерности хода рабочих органов

Фактор Единица измерения Уровни Интервал

нижний -1 основной 0 верхний +1

Угол установки пружинных зубьев у град. 30 45 60 15