Улучшение эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов путем разработки динамичных рабочих органов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Семенова Галина Андреевна

• Семенова Галина Андреевна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Семенова Галина Андреевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Условия работы почвообрабатывающих агрегатов в Северо-Западном регионе

1.2. Аналитический обзор почвообрабатывающих рабочих органов и машин

1.3. Критерии оценки эффективности работы почвообрабатывающих агрегатов

1.4. Методика оценки качества работы почвообрабатывающих агрегатов

1.5. Формулировка цели и задачи исследований

Выводы по 1 главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

2.1. Выбор критериев оценки эффективности работы почвообрабатывающих агрегатов

2.2. Обоснование конструктивных параметров динамичного почвообрабатывающего рабочего органа

2.3. Математические модели для определения показателей оценки эффективности почвообрабатывающих агрегатов с динамичными (адаптивными) рабочими органами

2.4. Математические модели связи параметров колебаний динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с его тяговым сопротивлением и скоростью

2.5. Определение эффективности функционирования почвообрабатывающих агрегатов

Выводы по 2 главе

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа экспериментальных исследований

3.2. Цель и задачи экспериментальных исследований

3.3. Объект и условия экспериментальных исследований

3.4. Методика экспериментальных исследований

3.4.1. Оборудование и измерительная аппаратура

3.4.2. Методика обработки экспериментальных данных

3.4.3. Оценка погрешностей измерений и точности результатов экспериментальных данных

Выводы по 3 главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Конструктивные параметры динамичных почвообрабатывающих рабочих органов

4.2. Закономерности изменения вероятностно-статистических характеристик тягового сопротивления динамичных и нединамичных почвообрабатывающих рабочих органов

4.3. Закономерности изменения вероятностно-статистических характеристик тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами

4.4. Показатели качества работы почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с динамичными рабочими органами

4.5. Эксплуатационные показатели почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с динамичными рабочими органами

4.6. Результаты сравнительной оценки динамичных и типовых почвообрабатывающих рабочих органов

Выводы по 4 главе 121 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Выводы по 5 главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов путем разработки динамичных рабочих органов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы связана с проблемой повышения эффективности почвообрабатывающих агрегатов. Эксплуатационные показатели используются для оценки совершенства машинно-тракторных агрегатов (МТА), в том числе почвообрабатывающих. Эти показатели должны соответствовать экономическим, экологическим и агротехническим требованиям выполняемого технологического процесса.

Эксплуатационные показатели МТА подразделяются на определенные группы: экономические (производительность, затраты труда и денежных средств, размер годового экономического или энергетического эффекта), энергетические (удельный расход топлива на единицу выполненной работы, тяговая мощность, энергоемкость процесса и т.д.), экологические (количество выбросов токсичных веществ в атмосферу, удельное давление на почву и т.д.), технологические (степень рыхления и глубина обработки почвы, выровненность поля и т.д.).

Повышению эффективности технологии обработки почвы путем разработки новых и совершенствования применяемых стандартных почвообрабатывающих рабочих органов и машин, использования эффекта вибрации посвящены труды ученых И.А. Артоболевского, М.Н. Летошнева, Н.Д. Лучинского, В.А. Желиговского, П.М. Василенко, М.Е. Мацепуро, А.Н. Гудкова, Г.Н. Синеокова И.М. Панова, В.И. Черноиванова, Н.В. Краснощёкова, Купряшкина, А.П. Иншакова, А.П. Савельева, М.Н. Чаткина, С.В. Глотова, В.С. Сечкина, Н.И. Джабборова, А.Б. Калинина, Д.С. Гапич, В.В. Белова и других.

Повышению эффективности технологии обработки почвы путем разработки новых и совершенствования применяемых стандартных почвообрабатывающих рабочих органов и машин посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых [11, 17, 19, 23, 30 - 34, 36 - 50, 63 - 65, 68 -69, 73, 83 - 85, 88, 102, 103, 105, 116, 122].

Повышение эффективности почвообрабатывающих агрегатов зависит от дальнейшего улучшения их эксплуатационных показателей.

Эту проблему можно решить путем создания и применения динамичных (адаптивных) рабочих органов, обеспечивающих автоматическое изменение геометрических параметров, высокое качество обработки почвы.

Разработанные нами теоретические предпосылки показали, что применение динамичных рабочих органов с новыми свойствами может обеспечить существенное улучшение эксплуатационных качеств почвообрабатывающих агрегатов.

Научная гипотеза: Улучшение эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов возможно путём разработки динамичных рабочих органов, обеспечивающих снижение дисперсии и среднего значения тягового сопротивления.

Эту проблему можно решить путем разработки динамичных (адаптивных) рабочих органов, обеспечивающих автоматическое изменение геометрических параметров и качественную обработку почвы.

Расчеты показывают, что применение рабочих органов с новыми свойствами динамичности может обеспечить существенное улучшение эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов.

Цель исследований - уменьшение дисперсии тягового сопротивления за счет разработки динамичных (адаптивных) рабочих органов, обеспечивающих улучшению эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов.

В соответствии с целью исследований были предусмотрены решение следующих задач:

1). Провести аналитический обзор почвообрабатывающих рабочих органов и машин, применяемых в различных условиях земледелия.

2). Разработать новое техническое решение, обеспечивающее уменьшение дисперсии тягового сопротивления почвообрабатывающих агрегатов.

3). Обосновать конструктивные параметры динамичного почвообрабатывающего рабочего органа.

4). Разработать математические модели для определения показателей оценки эффективности почвообрабатывающих агрегатов с динамичными рабочими органами.

5). Определить вероятностно-статистические характеристики и закономерности изменения тягового сопротивления динамичных и типовых почвообрабатывающих рабочих органов.

6). Определить вероятностно-статистические характеристики и закономерности изменения тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата с динамичными и типовыми рабочими органами.

7). Дать сравнительную оценку эксплуатационных показателей почвообрабатывающего агрегата с динамичными и типовыми рабочими органами.

8). Дать технико-экономическую оценку эффективности результатов исследований.

Научная новизна: Установлены закономерности изменения вероятностно-статистических характеристик тягового сопротивления динамичных и типовых почвообрабатывающих рабочих органов. Выявлены закономерности изменения эксплуатационных показателей почвообрабатывающего агрегата МТЗ-82+УКПА-2,4 с динамичными рабочими органами в зависимости от его скорости и глубины обработки почвы. Обоснованы рациональные конструктивные параметры динамичных почвообрабатывающих рабочих органов. Разработаны математические модели для определения эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов с динамичными рабочими органами.

Теоретическая значимость: Разработанные математические модели для определения эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов и вероятностных оценок энергетических и технико-экономических показателей могут быть применены при разработке новых почвообрабатывающих рабочих органов, наделенными свойствами динамичности.

Практическая значимость работы заключается в разработке динамичных (адаптивных) рабочих органов, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов.

Методы исследований. При проведении исследований применялись теоретические методы моделирования, основанные на изучении физических закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы; системный подход; обобщение и анализ экспериментальных данных, полученных в разные годы собственными исследованиями и исследованиями других авторов.

Положения, выносимые на защиту:

- рациональные конструктивные параметры динамичного (адаптивного), автоматически подстраивающегося к почвенным условиям почвообрабатывающего рабочего органа;

- способ уменьшения дисперсии тягового сопротивления почвообрабатывающих агрегатов путем применения динамичных почвообрабатывающих рабочих органов;

- математические модели для определения динамических и эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов с динамичными рабочими органами;

- закономерности изменения тягового сопротивления динамичных и типовых почвообрабатывающих рабочих органов;

- закономерности изменения тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата с динамичными и типовыми рабочими органами;

- показатели технико-экономической эффективности почвообрабатывающих агрегатов с динамичными рабочими органами.

Тема диссертационной работы соответствует тематическому плану научно-исследовательских работ Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиала Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) по 0669-2019-0001 «Разработать интеллектуальные системы, комплексы машин и оборудования для управления сельскохозяйственными экосистемами, обеспечивающие экологическую безопасность и устойчивое состояние природной среды» и утверждена Ученым советом 24 ноября 2016 г. (протокол № 7).

Материалы диссертационной работы обсуждены и одобрены:

- на Международной агропромышленной выставке «Агрорусь-2016» «Инновационные технологии и технические средства в агропромышленном производстве для решения проблем импортозамещения» 30 августа - 02 сентября 2016 г.;

- на Международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся «Роль молодых ученых и исследователей в решении актуальных задач АПК» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете,

г. Санкт-Петербург, 02 марта 2018 г.;

- на 9-й Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве», г. Москва 30-31 мая 2018 г.;

- на Международной научно-технической конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства», ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 06 декабря 2018 г.;

- на Международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся «Роль молодых ученых и исследователей в решении актуальных задач АПК» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете,

г. Санкт-Петербург, 28 марта 2019г.;

- на XI Международной научной конференции «Экология и цифровые, интеллектуальные агротехнологии: проблемы и решения», ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 15 мая 2019 г.;

- на Международной научно-практической конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства», ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 13 декабря 2019 г..

По теме диссертации всего опубликовано 21 работа, в том числе 6 статей в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, 12 статей в изданиях, индексируемых в РИНЦ, 1 патент РФ на изобретение и 2 патента РФ на полезную модель. В этих статьях отражено основное содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка литературы из 124 наименований и 25 приложений. Она включает 62 рисунка и 39 таблиц, общий объем работы 172 страниц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Условия работы почвообрабатывающих агрегатов в Северо-Западном регионе

В состав Северо-Западного региона входят Архангельская, Вологодская, Калининградская, Ленинградская, Мурманская, Новгородская и Псковская области, а также Автономные Республики: Карельская и Коми. Протяженность зоны с севера на юг составляет около 1700 км и почти столько же с востока на запад. Общая площадь зоны около 100 миллионов гектар. Полевое земледелие развито во всей зоне за исключением Мурманской и северных районов Архангельской области и республики Коми [92, 93, 94, 99, 100].

Условия функционирования почвообрабатывающих агрегатов и машин определяются свойствами почвы, размерами полей, изрезанности, препятствиями и степенью засоренности полей камнями, климатическими условиями, культурами - предшественниками, применяемой технологией [4, 6, 7, 8, 10, 21, 22, 61, 62, 68, 76, 77, 82, 93, 96, 97, 115, 121, 123].

Анализ литературы показывает, что в Северо-Западном регионе преобладают дерновые (30,5%) и подзолистые (23,7%) почвы. Во многих районах зоны распространены торфяные, торфяно-болотные и торфяно-глеевые (12,8%), подзолисто-глеевые и глеево-подзолистые (4,8%), серые лесные (4,8%). На юге зоны встречаются черноземы (оподзоленные, выщелоченные и обыкновенные) (2,8%). Все перечисленные почвы нуждаются в удобрениях и в улучшении при сельскохозяйственном использовании [72, 77, 94].

Почвы по механическому составу, в зависимости от содержания в них физической глины с частицами меньше 0,01 мм (%), подразделяют на песчаные -до 10; супесчаные - 10^20; легкосуглинистые - 20^30; среднесуглинистые -30^40; тяжелосуглинистые - 40^50; глинистые - свыше 50 [5, 10, 77, 97].

В Северо-Западном регионе преобладают супесчаные, легкосуглинистые и среднесуглинистые почвы с удельным сопротивлением 3,8-5,8 Н/см .

Удельное сопротивление почвы в зависимости от районов изменяется в

достаточно широких пределах.

По статистическим данным в Северо-Западном районе Нечерноземной зоны сельскохозяйственные угодья занимают 3351,1 тыс. га., - 15% земель. Длина гонов менее 150 м составляет 13 %, 150-300 м - 43 %. Средний радиус внутрисменных переездов составляет 3000 м. Средняя длина гона и площадь пахотных участков по зоне составляют 330 м и 5,4 га соответственно.

Многие поля в Северо-Западном регионе имеют сложную конфигурацию, вызванную неровностями рельефа, конфигурацией опушек леса, рек, ручьев, канав, дорог и ям (удельный вес таких полей в зоне составляет более 60%).

Большая площадь пахотных земель завалена камнями (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Засоренность почв камнями [77]

Площадь пашни, засоренной камнями, % при засоренности, м3/га

Менее 0,5 0,5-2,0 20-55 Более 55

55,0 20,9 17,1 7,0

В Нечерноземной зоне засорено камнями 17,2 % пашни, что составляет около 5,3 млн. га. Размеры камней самые разнообразные: от хряща длиной 3-10 мм до валунов диаметром два и более метра.

Северо-Западный регион отличается умеренными зимами, затяжной весной и осенью, повышенным и неравномерным выпадением осадков, причем на фоне общего потепления климата положение все больше усугубляется. На сегодняшний день, по многолетним наблюдениям, среднее годовое количество осадков равно 500-700 мм, достигая в отдельные годы более 800 мм. Годовое испарение влаги - 200-450 мм, что в сочетании с повышенным количеством осадков приводит к избыточному увлажнению. Это, естественно, сильно влияет на проходимость агрегатов, тягово-сцепные свойства тракторов, на расход энергии и качество производимых полевых работ. Это также вынуждает вести на значительных площадях регулирование водного режима почв, прибегая к различным мелиоративным приемам [77].

Безморозный период длится 75-145 дней, начало полевых работ - 20.04 -

05.05, окончание - 26.09 - 10.10. Коэффициент увлажнения - 1,33. Статистические данные показывают, что влажность почвы на полях Ленинградской области имеет максимальное значение в мае-июне и в сентябре-октябре, т. е. в период напряженных полевых работ, что создает неблагоприятные условия для работы почвообрабатывающих агрегатов.

Выше приведенный анализ условий работы технических средств свидетельствует о большом разнообразии и сложности условий работы почвообрабатывающих агрегатов в Северо-Западной зоне РФ. Эти особенности работы техники в целом определяют необходимость разработки рабочих органов и машин, адаптированных к конкретным почвенным и климатическим условиям функционирования, что позволит обеспечить экономию энергетических ресурсов, применяемых в отрасли растениеводства.

1.2 Аналитический обзор почвообрабатывающих рабочих органов и

машин

Данный аналитический обзор почвообрабатывающих рабочих органов и машин был составлен на основе анализа литературы и электронных ресурсов [1, 5, 8, 18, 32, 68, 69, 80, 100].

Обработка почвы в технологиях производства сельскохозяйственной продукции является самой энергоемкой. Наряду с основной обработкой (вспашкой) почвы в технологиях применяют поверхностную обработку почвы.

Поверхностная обработка почвы - это обработка почвы различными орудиями на глубину до 14-15 см.

Для выполнения поверхностной обработки почвы применяют различные машины, в том числе лущильники, зубовые и дисковые бороны, гладкие и кольчато-шпоровые катки, мотыги с игольчатыми дисками, паровые и пропашные культиваторы.

Известны следующие способы поверхностной обработки почвы: лущение, шлейфование, боронование, культивация, прикатывание и фрезерование.

Лущение - это поверхностное рыхление почвы, которое проводится на глубине от 5 до 15 см. После уборки зерновых, необходимо в обязательном порядке осуществлять лущение стерни.

Довольно часто лущение выполняют с помощью дисковых лущильников. Они хорошо дробят корни многолетних сорняков. Подобный агрегат можно регулировать, утяжелять его для более глубокого лущения, изменять угол дисков (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Дисковый лущильник ЛДГ-5А

Дисковый лущильник ЛДГ-5А агрегатируется с трактором класса 0,3 и 1,4т. Производительность 5 га/ч, глубина обработки 3-10 см, рабочая скорость до 2,78 м/с, угол атаки 15-35°. Секция состоит из рамки и батарей. Одна из батарей установлена со смещением влево, чтобы обрабатывать полосу по центру лущильника и перекрывать промежуток при изменении угла атаки.

Для лущения стерни также применяют лущильник универсальный гидрофицированный - ЛУГ-14, который предназначен для лущения стерни с целью создания на поле мульчированного слоя с частично измельченными растительными остатками и разрыхления почвы.

Рисунок 1.2 - Лущильник универсальный гидрофицированный ЛУГ-14

Шлейфование применяют для выравнивания поверхности почвы и уменьшения испарения влаги в почве. Шлейфование обычно проводят шлейф-бороной.

Шлейф-борона ШБ-2,5, рай-борона 3 ОР-0,7 (облегченная трехзвенная, рисунок 1.3) предназначена для выравнивания поверхности почвы, ранневесеннего и предпосевного рыхления почвы под зерновые и технические культуры, уничтожения всходов сорняков при бороновании посевов.

Рисунок 1.3 -0 Шлейф-борона ШБ-2,5, рай-борона 3 ОР-0,7

При шлейфовании также используют зубовую борону БЗСС-1,0 (рисунок 1.4), которая предназначена для рыхления верхнего слоя почвы, выравнивания поверхности поля, дробления комков, уничтожения всходов сорняков и разрушения почвенной корки, боронования всходов зерновых и технических культур на повышенных скоростях. Шлейф-борона ШБ-2,5 агрегатируется посредством сцепного устройства с тракторами класса 0,9 - 5,0 т.

Рисунок 1.4 - Борона зубовая БЗСС-1,0

Для поверхностной обработки почвы также применяются бороны типа БПВ (рисунок 1.5), которые предназначены для рыхления почвы после уборки сельскохозяйственных культур и равномерного распределения растительных остатков по полю; предпосевного возделывания почвы; выравнивания поверхности почвы и закрытие влаги; заделки семян и минеральных удобрений, разбросанных по полю; для обработки почвы при уходе за парами. Большая длина пружинных двойных зубцов и возможность регулировки угла наклона в пределах 45 - 90 градусов позволяет обработку почв разной влажности и твердости с большим количеством растительных остатков. Положение опорных колес БПВ-9 регулируется в вертикальной плоскости.

Рисунок 1.5 - Борона пружинная тяжёлая БПВ-9 (15/21/24)

В таблице 1.2 приведены краткая техническая характеристика пружинных борон типа БПВ.

Таблица 1.2 - Техническая характеристика борон типа БПВ

Технические характеристики БПВ-9 БПВ-15 БПВ-21 БПВ-24

Ширина захвата ,м 9 15 21 24

Глубина обработки, см 3-10 3-10 3-10 3-10

Рабочая скорость, км/час 10-20 10-20 10-20 10-20

Производительность за час основного/ эксплуатационного времени, га/час 7,2/5,3 12/8,8 21/14 23/15,3

Габаритные размеры, рабочие/транспортные, м длина ширина высота 7,3/8,2 9,5/4,3 1,8/3,2 8,6/12,6 15,7/4,3 1,8/3,2 8,6/15,5 21,4/4,3 1,8/3,2 8,6/17,4 25/4,3 1,8/3,2

Масса, кг 5000 5840 7080 8000

Агрегатируется с тракторами мощностью, л.с. 120-160 160-220 200-270 250-300

Для измельчения пожнивных остатков, заделыванием их частей в почву, а так же для измельчения крупной фракции почвы после основной обработки, с возможностью регулирования угла атаки часто применяют борону дисковую навесную БДН - 2,0 с планчатым катком (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Борона дисковая навесная БДН 2,0 с катком планчатым

Для обработки почвы всех типов, создания оптимальной структуры почвы и прикатывания верхнего слоя применяется дисковая навесная борона типа АГЛ. Бороны типа АГЛ обеспечивают равномерное распределение органических удобрений и пожнивных остатков, повышает устойчивость почвы к эрозионным процессам.

Борона дисковая навесная типа АГЛ имеют ширину захвата 2,5 м, 3,2 м, 3,5м и комплектуется расширенными модификациями катков (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Техническая характеристика дисковых борон типа АГЛ

Технические характеристики АГЛ-2,4 АГЛ-3,0 АГЛ-3,3

Ширина захвата, м 2,4 3,2 3,5

Производительность за час основного/ эксплуатационного времени, га 1,95/1,52 2,4/1,7 2,6/1,8

Рабочая скорость, км/час 8-12 8-12 8-12

Глубина обработки, см 5-18 5-18 5-18

Масса, кг 1020 1350 1600

Габаритные размеры, мм длина ширина высота 2270 2800 1285 2350 3560/3000 1300/1700 2350 3800 1300

Агрегатируется с тракторами мощностью, л.с. 75-100 120-160 165-180

Рисунок 1.7 - Борона дисковая навесная АГЛ-2,4

Культивация является одним из самых популярных приемов обработки почвы, она заключается в рыхлении верхнего слоя почвы. За один проход культиватора обеспечивается рыхление верхнего слоя почвы, её крошение, а также небольшое перемешивание. Позволяет подрезать корни сорных растений, а также используется для заделки удобрений в почву.

Культиватор КПС-4 (культиватор паровой скоростной с шириной захвата 4м. ) агрегатируется с тракторами класса 1,4 т. КПС-4 выпускается в прицепном и навесном вариантах (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Культиватор КПС-4 Культиватор КПС-4 рыхлит и вспушивает поверхностные слои почвы, эффективно уничтожает сорную растительность. При установке

соответствующего дополнительного оборудования культиватор может работать не только как паровой, но и как пропашной агрегат, то есть выполнять междурядную обработку полей.

Сплошная культивация культиватором КПС-4 позволяет обработку почву на глубину от 5 до 12 см., уничтожает сорняки и выравнивает поверхность поля.

Культиваторы типа КШУ-6, КШУ-12 и КШУ-18 комплектуют теми же рабочими органами, что и КПС-4 (таблица 1.4, рисунок 1.9).

Таблица 1.4 - Техническая характеристика культиваторов типа КШУ

Характеристика КШУ-6 КШУ-8 КШУ-12 КШУ-18

Производительно сть, га/ч 5-7,2 6,67-9,6 10-14,4 21,6

Рабочая скорость, км/ч 12 12 12 12

Ширина захвата, м 6,6 8,2 12 18

Глубина обработки, см 6-12 6-12 6-12 6-12

Габариты в рабочем положении, мм 6800 х 6300 х 1650 8200 х 6300 х 1650 12000х6300х 1650 7900х18000х 1300

Габариты в транспортном положении, мм 4000 х 6300 х 3000 4000 х 6300 х 3800 4000 х 6300 х 3800 7900х 4000х3300

Масса (с полным комплектом раб. органов), кг 1888 ±56 2275 ± 68 2876 ± 86 4900

Агрегатируется с тракторами тягового класса 2; 3 2; 3 3 6

Рисунок 1.9 - Культиватор КШУ-6 Для предпосевной поверхностной обработки почвы также используют культиватор КН-2,8, который обеспечивает рыхление и измельчение комьев почвы, выравнивание поверхности поля, уничтожение сорных растений (таблица 1.5 и рисунок 1.10).

Таблица 1.5 - Техническая характеристика культиватора КН-2,8

Технические характеристики КН-2,8

Ширина захвата, м 2,8

Производительность, га/час 2,8-3,4

Глубина обработки, см 5-12

Рабочая скорость , км/час 8-15

Количество лап, шт 11

Лапа с шириной 270 мм, шт 5

Лапа с шириной 330 мм, шт 66

Масса, кг 710

Агрегатируется с тракторами, л. с. 40-60

Наличие катков на КН-2,8 позволяет дополнительно выравнивать и прикатывать почву. Культиваторы КН-2,8 оснащены пружинными блоками безопасности, предохраняющими лапы и стойки от поломки.

Рисунок 1.10 - Культиватор сплошной предпосевной обработки почвы

КН-2,8

Для безотвальной поверхностной обработки почвы применяют агрегат комбинированный чизельный АКЧ-4,0; 6,0; 8,0, который обеспечивает качественную обработку почвы при нормальной влажности и оснащён блоком стрельчатых лап на упругих стойках и блоком пружинных борон (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Культиватор АКЧ-4

Краткая техническая характеристика культиватора типа АКЧ приведена в таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Техническая характеристика культиваторов типа АКЧ

Технические характеристики АКЧ-4 АКЧ-6 АКЧ-8

Производительность, га/час 2,4-4,8 3,6-7,2 4,8-9,6

Рабочая скорость, км/час 6-15 6-15 6-15

Рабочая ширина захвата, м 4,0 6,0 8,0

Глубина обработки, см 5-18 5-18 5-18

Масса, кг 1680 2650 3710

Агрегатирование с тракторами 1,4-2,0 2,0-3,0 3,0-5,0

Габаритные размеры, мм длина / ширина / высота 4800/4400/1400 4800/6400/1400 4800/8400/1400

Для подрезания и выноса сорных растений на поверхность поля, крошения почвы также применяется культиватор ротационный КР-4К «КРОТОР». Данный культиватор агрегатируется с тракторами тягового класса 1,4 т.

КР-4К «КРОТОР» (рисунок 1.12) имеет кольцевой рабочий орган, который имеет низкое удельное давление на почву, обеспечивает полное подрезание сорных растений, при вращении рабочего органа достигается эффект само заточки.

Рисунок 1.12 - Культиватор КР-4К «КРОТОР»

В таблице 1.7 приведены основные характеристики культиватора КР-4К «КРОТОР».

Таблица 1.7 - Техническая характеристика КР-4К «КРОТОР»

Технические характеристики Параметры

Производительность, га/ч До 6

Рабочая скорость, км/ч До 16

Глубина обработки, см До 14

Ширина захвата, м 4

Транспортная скорость, не более, км/ч 15

Количество рабочих органов, шт 16

Масса машины, кг 1740

Для сплошной поверхностной обработки почвы также применяется фреза садовая ФС-У (рисунок 1.13). Рабочий орган ФС-У изготовлен из трубы 0108 мм., с фланцами толщиной 10 мм., на каждом из которых установлены по 3 ножа из пружинной стали 65 Г толщиной 8 мм.

Удлинённые ножи фрезы позволяют обрабатывать почву на глубину до 20 мм. Регулировка глубины обработки производится при помощи опорных колёс. Привод фрезы от ВОМа, частота вращения фрезы - 540 об/мин. Фреза агрегатируется с тракторами класса 1,4 т.

Рисунок 1.13 - Фреза садовая ФС-У

Ниже приводим машины для поверхностной обработки почвы зарубежных

стран.

Для лущения стерни применяется прицепной широкозахватный лущильник Atlas AM Bednar (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 - Прицепной широкозахватный лущильник Atlas AM Bednar

Таблица 1.8 - Техническая характеристика широкозахватного лущильника

Atlas AM Bednar

Технические характеристики Единица измерения AM 10000 AM 12000

Рабочая ширина м 10 12

Транспортная ширина м 3 3

Транспортная длина м 11.7 12.7

Рабочая глубина см 6 - 16 6 - 16

Количество дисков шт 80 96

Рекомендованная мощность л.с. 380 - 450 480 - 550

Общий вес кг 14800 - 15600 15200 - 16600

При лущении стерни широко применяется лущильник TOLMET ARSEN 220 (рисунок 1.18), который поставляется в стандартной комплектации: стойка на пружине, которая служит предохранителем для предотвращения поломки лапы при большой нагрузке; усиленное навесное устройство; тяжелый зубчатый каток или трубчатый вал.

Рисунок 1.15 - Лущильник TOLMET ARSEN 220 Техническая характеристика лущильника TOLMET ARSEN 220 приведена в таблице 1.9

Таблица 1.9 - Техническая характеристика лущильника TOLMET ARSEN 220

Техническая характеристика TOLMET ARSEN 220

Рабочая ширина захвата, м 2,2

Количество зубьев , шт 5

Вес, кг 890

Потребная мощность, л.с. 70-90

Для обработки почвы после дискования или культивации используется шлейф-борона Green Wey.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семенова Галина Андреевна, 2021 год

/ / / /

1 к / / /

О 376.324 377,608 545,641 э;)МДж/га

Эг,

руб

Ы

7000 5000

< / I

/ / / /

- ' " У

О 1.0

1.5

Z0 W ,га/ч

га/ч

го

1.5

го

.---* 1

у у У Г"""

4 у Г

МДж/га 600

500 400 300

О 1.70

2,10

2-80 Ц,,м/с

б)

1 / I

/ / / У

<4 1-------- У

О 1,24

1.55 z/

206 К, га/Ч

Рисунок 2.4 - Зависимости: а) - ожидаемого годового экономического эффекта Эг

*

от энергоемкости технологического процесса Э ^ б) - производительности Wч от

скорости движения Ур; в) - ожидаемого годового экономического эффекта Эг от

*

производительности Wч; г) - энергоемкости технологического процесса Э от

производительности Wч (Универсальный комбинированный почвообрабатывающий агрегат УКПА-2,4 с динамичными рабочим органами в

агрегате с трактором МТЗ-82)

Анализ графических зависимостей (рисунок 2.4) позволил установить степень чувствительности критериев оценки эффективности почвообрабатывающего агрегата к изменению каждого отдельного взятого входного параметра. В результате была сформирована итоговая таблица, представляющая собой сбалансированную систему эксплуатационных показателей почвообрабатывающего агрегата МТЗ-920+УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ по критерию максимум годового экономического эффекта (таблица 2.1)

Таблица 2.1 - Сбалансированная система эксплуатационных показателей МТА МТЗ 920 + УКПА-2,4 по критерию максимум годового экономического эффекта

Эг ^ тах

Параметр Единица измерения Расчетная формула tga

1 2 3

Эг руб. Эг = (Эн - Э- )trW Ч

Wч га/ч - по ширине захвата: W = 0,1-В -V -т ч ' р р 5787,22

Э, МДж/га Е + Е + Е + Е г^ 7—- т—> тр ж м сц Э = Еп + Ео + W ч 206,94

tr час - 23,0

V км/ч Vp = s/t 0,74

Данная система представляет собой рациональное количество критериев и контролируемого (управляемого) параметра, подлежащих оптимизации на предмет достижения максимального годового экономического эффекта при работе МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с динамичными рабочими органами.

2.2 Обоснование конструктивных параметров динамичного почвообрабатывающего рабочего органа

Основы теории и технологического расчета различных сельскохозяйственных машин, в том числе и почвообрабатывающих, изложены в трудах Б.Г. Турбина, А.Б. Лурье, С.В. Мельникова, Я.П. Лобачевского, В.А. Жилкина, А.Б. Калинина, А.Н. Макаренко и других ученых [31, 63, 75, 83, 88, 112,].

Применяемые в производстве почвообрабатывающие машины и рабочие органы, хотя и обеспечивают повышение эффективности обработки почвы, но недостаточны для существенного улучшения тягово-динамических показателей почвообрабатывающих агрегатов. На основе исследований работы рабочих

органов и машин для обработки почвы нами предложен новый способ улучшения динамических показателей, на основе разработки и применения динамичных рабочих органов, то есть с изменяемой геометрией, которые автоматически подстраиваются к почвенным условиям в зависимости от твердости и плотности почвы.

При встрече динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с твердым слоем почвы происходит автоматическое (мгновенное) уменьшение площади его фронтальной проекции в определенных ограниченных пределах, что позволяет ему с меньшим сопротивлением Р2 (рисунок 2.5) проходить твердый слой по сравнению с сопротивлением Р1 стандартных рабочих органов с постоянной площадью фронтальной проекции. Использование динамичных рабочих органов обеспечивает уменьшение среднего значения тягового сопротивления почвы от Р1 до Р2, на величину АР = Р1 - Р2, среднего квадратического отклонения тягового сопротивления от аР1 до аР2. При этом размах колебаний тягового сопротивления уменьшается от ± 3аР1 до ± 3аР 2.

РШ

Л т л/ \л "V / \ /V ^ х ±

> Л N \Л

/у / Н 1 / \ ^ II 1 А + \а

Л ч Л/ / Г*

г £ Г ' | /

1 1сс 1 § оГ ь £ 'сС % 1 15С

Рисунок 2.5 - Схема к определению степени влияния динамичного почвообрабатывающего рабочего органа на среднее значение и коэффициента

вариации тягового сопротивления [55, 56]

Автоматическое кратковременное уменьшение площади фронтальной проекции, угла резания в определенных пределах позволяет уменьшить

дисперсию и тем самым снизить коэффициент вариации УР тягового сопротивления рабочего органа и в целом почвообрабатывающей машины.

Нами разработан рабочий орган для рыхления почвы [39, 41, 49], который содержит стойку с долотом, жестко закрепленным на башмаке, с которым жестко связан демпфирующий элемент.

На демпфирующем элементе жестко закреплены крылья стрельчатой лапы, которые разнесены друг относительно друга: одно крыло закреплено за башмаком, а другое - в конце демпфирующего элемента, выполненного в виде полосы из пружинной стали.

Такая конструкция позволяет повысить надежность рабочего органа и снизить колебания тягового сопротивления при повышении качества обработки почвы при работе на почве различной плотности.

Нами обоснованы основные конструктивные и энерготехнологические параметры динамичного рабочего органа [45, 57].

Минимальную высоту стойки динамичного рабочего органа от опорной поверхности до нижней плоскости рамы можно определить по формуле [111, 113]:

Щт = \ + h2 + а, (2.1)

где h1 - пространство между поверхностью вспушенной почвы и нижней плоскостью рамы; h2 - максимальная высота вспушенного слоя почвы, мм; а - заданная максимальная глубина обработки, мм.

Максимальную высоту вспушенного слоя почвы можно подсчитать по формуле [111, 113]:

h2 = а /4, мм (2.2)

С учетом (1) и (2) высоту стойки динамичного рабочего органа для обработки почвы от опорной поверхности до нижней плоскости рамы можно найти по уравнению [111, 113]:

Нс = 4h + 5а. , мм (2.3)

Пространство между поверхностью вспушенной почвы и нижней части плоскостью рамы h можно установить с таким расчетом, чтобы исключить забивание сорняками и сгруживание почвы. С учетом этого h должен быть h > 300мм. С учетом максимальной глубины обработки почвы для рабочего органа а = 15см = 150мм, максимальная высота вспушенного слоя почвы равна h2 = а/4 = 15/4 = 3,75см = 37,5мм .

Минимальная высота стойки рабочего органа для обработки почвы от опорной поверхности до нижней плоскости рамы с учетом формулы (2.3) будет:

тт 4h + 5а 4 • 300 + 5 • 150 „„„

Нс = —1-=-= 487,5мм .

с 4 4

Максимальная высота стойки рабочих органов, с учетом конструкции основной рамы, составляет 800 мм. Для получения малых перекрытый целесообразно применение небольших значений угла 2у, обеспечивающих работу рабочего органа без обволакивания, для этого значение 2у должен варьировать в пределах 2у = 60-65° [111]. Здесь Y - угол резания. Угол крошения а согласно многочисленным исследованиям [111, 113] должен варьировать в пределах а = 20 - 30°.

Так, при двухрядном расположении межследия рабочих органов должен составлять lm = 240мм. С учетом качества работы динамичных рабочих органов, исключающие огрехов максимальную и минимальную ширину захвата рабочего органа можно определить по формуле:

b ро = l + 2 ьмах ьр° = l + 2 Ьмин

max lm^'Unep . мм min ^пер мм (2.4)

7 7 мах

где lm - ширина межследия рабочих органов, мм; ьпер - максимально допустимое

_ г мин

перекрытие рабочих органов, мм; ьпер - минимально допустимое перекрытие

рабочих органов, мм. Максимальная и минимальная ширина захвата рабочего органа, соответственно, составляет 330мм и 260 мм. Длина и ширина долота: 1дол = 150мм; Ьдол = 60мм. Максимальная длина рабочего органа L0 = 720мм.

2.3 Математические модели для определения показателей оценки

эффективности почвообрабатывающих агрегатов с динамичными (адаптивными) рабочими органами

Математические модели показателей оценки эффективности почвообрабатывающих машин с типовыми рабочими органами отличаются от математических моделей машин, оснащенных динамичными рабочими органами.

Нами разработаны новые математические модели, которые описывают процесс изменения потребной мощности, тягового сопротивления, удельного погектарного расхода топлива, энергоемкости операции и других показателей работы почвообрабатывающих агрегатов с динамичными рабочими органами.

Потребную мощность для преодоления сопротивления почвообрабатывающей машины с динамичными рабочими органами, пропорциональную кубу скорости ее движения, предлагается определять по формуле [57]:

Кд • ТП • V3 • F * = Ск д П2 р-, кВт (2.5)

где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов; коэффициент Кд зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы; ТП - твердость почвы, кг/см2; F* - общая площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, м ; ¥р - среднее значение скорости движения почвообрабатывающей машины, м/с; Ск = 102 - поправочный коэффициент.

Потребная мощность почвообрабатывающей машины должна обеспечить высокий КПД трактора.

Тяговое сопротивление Rа почвообрабатывающей машины с динамичными рабочими органами можно определить по формуле [57]:

Кд • Тп • Ур2 • F * яа = д п2 р-, Н (2.6)

где Ур - скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с.

Коэффициент террадинамического сопротивления Кд

почвообрабатывающего рабочего органа можно определить по формуле [57]:

2Яро

Кд = СП ~ Л12 т?*ро , (2.7)

1 П • V • -

где СП - коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности параметров Rро, ТП, Ур и — *ро; Rро - тяговое сопротивление одного

почвообрабатывающего рабочего органа; — *ро - площадь фронтальной проекции одного рабочего органа, м2.

Коэффициент террадинамического сопротивления Кд

почвообрабатывающей машины с динамичными рабочими органами определяется по формуле [57]:

2 Р

К' = ТТР-, (28)

ТП • Ур - скорость напора (или динамическое давление) - величина кинетической энергии, имеющая размерность давления; Ур - скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с; ТП - твердость (плотность) почвы (кг/см ).

Удельное сопротивление Ка (кН/м) почвообрабатывающей машины определяется по формуле [57]:

К • Т„ • У2 • — *

к =

д ^ П у р

2 В.

, кН/м (2.9)

р

где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов. Коэффициент Кд зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы; ТП - твердость почвы, кг/см2; — * - площадь фронтальной проекции динамичных рабочих органов

2

почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, см ; Вр -

рабочая ширина захвата почвообрабатывающей машины, м.

Среднее значение коэффициента вариации тягового сопротивления Rа почвообрабатывающей машины определяется по формуле [57]:

К • — *1/2

^р =-• (2.10)

Степень рыхления почвы динамичным почвообрабатывающим рабочим органом можно определить из выражения [57]:

Ж • Я

Ко = Спу^-, (2.11)

Т П •Ь

где СП - поправочный коэффициент, учитывающий поправку на размерность влажности почвы и интенсивности изменения тягового сопротивления динамичного рабочего органа от скорости движения; Ж0 - влажность почвы, %;

Яро - тяговое сопротивление динамичного рабочего органа, Н; Т П - твердость

почвы, Па (Н/м2); —*ро - площадь фронтальной проекции одного динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа при заданной глубине обработки почвы,

2

м.

Значения поправочного коэффициента СП можно определить из формулы

[57]:

Сп = 104 • (tgaR + tgapн)-1, (2.12)

ро 1 д 4 у

где tgaR - тангенс угла наклона тягового сопротивления Яро одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, показывающая интенсивность возрастания Яро от скорости движения; ^арн - тангенс угла

наклона скорости напора Рд = ТП • Ур, показывающая интенсивность возрастания Рнд от скорости движения.

Энергоемкость технологического процесса обработки почвы динамичным рабочим органом в 1 час чистого времени (МДж/га) можно определить по формуле [57]:

К Т V3 Р *РО

э=(3,6• С ' 2'"'Р Жро)-1 =

Кд'Тп 'V2 • Р*ро ,МДж/га (2.13)

= и

Ьро

Сп = 6,48 402 - поправочный коэффициент; Ьро - ширина захвата одного

динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, м.

В динамичных рабочих органах, в связи с кратковременным и мгновенным уменьшением площади фронтальной проекции Р *ро, среднее значение тягового сопротивления Rа уменьшается, при этом его дисперсия Д (Ркр) уменьшается до

определенного предела в зависимости от конструктивно-технологических параметров рабочего органа.

Изменения тягового сопротивления агрегата исследователи классифицируют как макро-, мезо- и микроколебания [3].

Область макроколебаний нагрузки находится в пределах от 0 до 0,2 Гц, мезоколебаний - от 0,2 до 3,0 Гц и микроколебаний - свыше 3 - 5 Гц. На энергетические и технико-экономические показатели агрегатов существенное влияние оказывают макроколебания. Другими словами, макроколебания ухудшают эксплуатационные показатели агрегатов.

Основными показателями топливной экономичности трактора являются удельный расход топлива на единицу тяговой мощности дкр и на единицу выполненной работы Qгgí.

Удельный расход топлива на единицу тяговой мощности дкр определяется по формуле [3]:

^ =103-^, г/кВт-ч (2.14)

где Ст - часовой расход топлива двигателя на заданном режиме работы трактора, кг/ч; Мкр - тяговая мощность трактора на заданном режиме работы (передачи) трактора, кВт.

Удельный расход топлива на единицу выполненной работы @га определяется по формуле [3, 25, 26]:

= [Ст.рТр + Ст,Гх + т0]/ж„ кг/га (2.15)

где С тр - расход топлива двигателя при установившемся рабочем режиме, кг/ч; Ст.х- расход топлива двигателя при холостых поворотах и переездах трактора, кг/ч; Ст.0- расход топлива на остановках при работающем двигателе, кг/ч; Тр -чистое рабочее время, ч; тх - время холостого хода и переезда МТА, ч; Т0 - время остановок при работающем двигателе, ч.

Удельный расход топлива на единицу тяговой мощности дкр зависит от степени загрузки трактора. В связи с этим использование режима максимальной тяговой мощности на конкретной рабочей передаче имеет большое значение. При всех прочих равных условиях, минимум удельного расхода топлива трактора на единицу тяговой мощности дкр обеспечивается при максимальном коэффициенте полезного действия (КПД) трактора.

Удельный расход топлива на единицу выполненной работы @га, как показывает анализ выражения (2.15), зависит от часового расхода топлива двигателя на различных режимах его работы, степени использования времени смены и производительности агрегата.

Применительно к почвообрабатывающим агрегатам, с учетом известных, научно обоснованных методов и средств, следует особо выделить наиболее значимые пути, обеспечивающие существенное повышение их эксплуатационных качеств.

Анализ показывает, что наиболее значимым параметром в структуре эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов, является тяговое сопротивление рабочих органов и машин в целом. От тягового сопротивления зависит значения удельного сопротивления, потребной мощности,

производительность и удельный расход топлива на единицу выполненной работы, что в конечном итоге определяют эксплуатационные показатели почвообрабатывающих агрегатов.

Предложенный нами новый способ уменьшения тягового сопротивления и ее характеристик рассеяния, заключающийся в разработке и использовании динамичных почвообрабатывающих рабочих органов, способных легко адаптироваться к удельному сопротивлению почвы, автоматически изменять угол атаки и крошения, ширины захвата в допустимых пределах, может существенно улучшить эксплуатационные показатели почвообрабатывающих агрегатов. Основы разработки таких инновационных почвообрабатывающих рабочих органов и машин изложены в работах [39 - 57, 59].

В связи с этим, с учётом новых свойств динамичных рабочих органов, разработаны математические модели для определения эксплуатационных показателей почвообрабатывающих агрегатов.

Топливная экономичность. В отличие от известной формулы (2.14), которая выражает удельный расход топлива трактора на определенном режиме его работы на единицу тяговой мощности, развиваемая трактором, топливную экономичность почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами можно выразить фактическим значением удельного расхода топлива на единицу его потребной мощности.

Топливную экономичность почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами можно оценить по удельному расходу топлива на единицу потребной мощности [43]:

= 10^ГР = 2-10^ , кг/кВт (2.16)

Ып - потребная мощность почвообрабатывающей машины, кВт; Кд -коэффициент террадинамического сопротивления учитывает обтекаемость рабочих органов; коэффициент Кд зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы.

Удельный расход топлива на единицу выполненной работы почвообрабатывающим агрегатом с динамичными рабочими органами определяется по формуле [43]:

сТРтР+стхтх+сТ0т0

дии =

ж,

2(СтрТр+стхТх+стоТо) __ (2 17)

О^бК-^тК^У^3 0,0555Ка(СТрТр+СтхТх+СтоТо)

тКдТп^*

кг/кВт

где Gтр, Gт.х, Gт.о - часовой расход топлива двигателя соответственно при рабочем

ходе, на холостых переездах и поворотах и во время остановок агрегата с работающим двигателем, кг/ч; Тр, Тх, То - соответственно чистое рабочее время,

время на холостые переезды и повороты, и время остановок агрегата с работающим двигателем, ч; Ка - удельное сопротивление почвообрабатывающей машины, кН/м; т - коэффициент использования времени смены; Сп = 102 -поправочный коэффициент; к - коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов; Тп - твердость почвы, кг/см2; Ур - скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с; Р* -общая площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, м2.

Производительность. Производительность МТА по мощности определяется по известной формуле [3]:

Ж, = 0,36 • • т • к^1 • Ые, га/ч (2.18)

или

Ж, = 0,36 • т • к^1 • Мкр, га/ч (2.19)

где - тяговый коэффициент полезного действия трактора на рабочем режиме; т - коэффициент использования времени работы агрегата; ка - удельное сопротивление агрегата, кН/м; Ые - эффективная мощность двигателя, кВт; Л^кр - тяговая мощность трактора на рабочем режиме, кВт.

Применительно к почвообрабатывающим агрегатам с динамичными рабочими органами выражение (6) можно представить в следующем виде [43]:

С -К -Т -т/3^*

Шч = 0,36 • т • к^1 • ЛТп = 0,36 • т • кг1 Ск Кд Т2п Кр " , га/ч (2.20)

После некоторых преобразований получим [43]:

С К Т •

ичч = 0,18 Ск1Кд_Тп_х__!, га/ч (2.21)

Ка

где Ск - коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности параметров ка, Тп, Ур и F* (Ск = 102); 2Ркр

Кд =-2т—* - коэффициент террадинамического сопротивления,

Тп ■ К ■ &

учитывающий обтекаемость рабочих органов;

кл ■ Тп ■ V2 ■ & *

К = п р

2ВР

удельное сопротивление агрегата, определяемое в

зависимости от конструктивно-технологических параметров динамичных рабочих органов, кН/м.

Адаптивность. Адаптивность является одним из основных свойств почвообрабатывающих рабочих органов и агрегатов, описывающее возможность их перевода с одного режима (скоростного и нагрузочного) на другое.

Адаптивность почвообрабатывающих рабочих органов является важным их свойством, описывающим возможность изменения конструктивных и технологических параметров в заданных пределах.

Конструктивные особенности динамичных рабочих органов позволяют изменять конструктивные и технологические параметры автоматически.

Автоматическое изменение конструктивных параметров (угол резания, площадь фронтальной проекции, угол крошения) становится возможным благодаря применению упругих элементов связывающих отдельные составляющие части динамичных рабочих органов. Пределы изменения конструктивных параметров можно заранее устанавливать при формировании отдельно взятых рабочих органов. Адаптация рабочих органов к удельному

сопротивлению почвы зависит от величины скорости движения, скорости напора и площади фронтальной проекции динамичных рабочих органов.

Значение тягового сопротивления Яа почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами можно определить по формуле [43]:

Яа = 0,5 • Кд • Тп • Ур2 • F*, Н (2.22)

С учетом того, что произведение твердости почвы Тп и квадрат скорости движения V,2 представляет собой скорость напора (или динамические давление) Рн выражение (2.22) можно записать так [43]:

Яа = 0,5КДР^*, Н (2.23)

Как было отмечено выше, с повышением скорости движения почвообрабатывающего агрегата происходит увеличение скорости напора (динамического давления). При этом происходить автоматические мгновенное уменьшение площади фронтальной проекции рабочих органов и коэффициента террадинамического сопротивления Кд .

Из выражения (2.22) и (2.23), находим площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы [43]:

р* = м2 (2.24)

0,5КдРН 4 7

С учётом того, что РН = Тп • , получим [43]:

р* = —я^ м2 (2.25)

Анализ выражений (2.24) и (2.25) показывает, что основной причиной

*

изменения площади фронтальной проекции & рабочих органов почвообрабатывающей машины служит разница в интенсивности возрастания

тягового Ка и скорости напора РН = Тп • . При интенсивном повышении скорости напора происходит некоторое изменение коэффициента террадинамического сопротивления Кд .

В итоге при прохождении рабочего органа через твердый (плотный) слой почвы обеспечивается автоматическое снижение тягового сопротивления.

Интенсивность возрастания тягового сопротивления ^ и скорости напора РН по мере повышения скорости движения почвообрабатывающего агрегата не является случайностью, а закономерным.

В целом, из-за конструктивных особенностей динамичных почвообрабатывающих рабочих органов, дисперсия тягового сопротивления и других параметров и показателей, которые до сих пор была неуправляема, становиться управляемой в заданных пределах, что имеет большое значение при повышении эксплуатационных качеств почвообрабатывающих агрегатов.

Разработанные математические модели закладывают аналитический фундамент повышения эксплуатационных качеств почвообрабатывающих агрегатов, строящийся на анализ структуры оценочных показателей процесса обработки почвы и свойств динамичных рабочих органов.

Конструкция динамичных рабочих органов позволяет изменять угол резания и крошение почвы, а также их площадь фронтальной проекции в определенных допустимых пределах, без ущерба на показатели качества обработки почвы. При работе на повышенных скоростях в динамичных рабочих органах появляются высокочастотные колебания.

2.4 Математические модели связи параметров колебаний динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с его тяговым сопротивлением и

скоростью

Колебание тягового сопротивления почвообрабатывающего рабочего органа и машины представляет собой периодический процесс, повторяющийся через определенные промежутки времени. Изменения тягового сопротивления машинно-тракторных агрегатов, в том числе и почвообрабатывающих исследователи классифицируют как макро-, мезо- и микроколебания [3, 9, 86].

Область макроколебаний нагрузки находится в пределах от 0 до 0,2 Гц, мезоколебаний - от 0,2 до 3,0 Гц и микроколебаний - свыше 3 - 5 Гц. На

энергетические и технико-экономические показатели агрегатов существенное влияние оказывают макроколебания. Результаты многочисленных исследований работы МТА в различных почвенно-климатических условиях свидетельствуют, что макроколебания ухудшают эксплуатационные показатели агрегатов [12, 15, 16, 20, 28, 29 - 34, 38, 78, 101, 121]. Существенное влияние на работу двигателя оказывают низкочастотные колебания - с периодом Т > 1-2 с [3]. Высокочастотные колебания - с периодом Т < 1 — 2 с преодолеваются инерцией масс агрегата и практически не влияют на эксплуатационные показатели МТА [3].

Основными параметрами колебаний тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа являются:

- амплитуда колебаний А, (кН);

- период колебаний Т, (сек.);

- частота колебаний о"р(^), (с-1);

- количество колебаний па, (с-1);

- длина волны (период колебательного процесса) Lв, (м).

Тяговое сопротивление динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в зависимости от частоты и количества колебаний можно определить по формуле [56]:

= 0,5КдТ^*ро[^]2, кН (2.26)

па

где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления

почвообрабатывающего рабочего органа;

2

ТП - твердость почвы, кг/см ;

F *ро - площадь фронтальной проекции одного рабочего органа при заданной глубине обработки почвы, м2.

Теоретически коэффициент террадинамического сопротивления Кд почвообрабатывающего рабочего органа можно определить по формуле [56]:

Кд ~ Сп тп- V7*ро, (°.°7)

2 R

р° а

где Сп - коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности параметров яро, Тп, Кр и Я *ро;

яр° - тяговое сопротивление одного почвообрабатывающего рабочего органа, кН; Я *ро - площадь фронтальной проекции одного рабочего органа, м2.

Обобщенная математическая модель для определения тягового сопротивления одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в зависимости от параметров его колебаний выглядит так [56]:

С = 0,1КдТпрт" + [¿в^)]2 + (£)2 + (па • Г)"2] +

+ / 15гр. Н (2 28)

Частоту колебаний ар(ш) тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в зависимости от скорости движения и количества колебаний на 1 м пройденного пути можно определить по формуле [56]:

ар(ш)=Ур-па, Гц, (2.29)

где Кр - скорость движения, м/с.

па - количество колебаний на 1 м пройденного динамичным почвообрабатывающим рабочим органом пути, с-1.

Длину волны Ьв, равную периоду колебательного процесса в зависимости от скорости движения и частоты колебаний тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа можно определить из равенства [56]:

Ьв = -^Ц-, м. (2.30)

в Ор (ш)' 4 7

Частота колебаний тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в зависимости от скорости движения динамичного рабочего органа и длины волны, равная периоду колебаний нагрузки

[56]:

определяется из выражения

о-р(ы)=-£, с-1. (2.31)

Длину волны LB, равную периоду колебательного процесса в зависимости от скорости движения и периода колебаний Т тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа можно определить по формуле [56]:

LB = Vp • Т, м. (2.32)

где Т - период колебаний, сек.

Взаимосвязь периода колебаний тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с количеством колебаний на 1 м пройденного пути и скорости его движения определяется по формуле [56]:

Т = —, сек. (2.33)

Разработаны математические модели, позволяющие установить связь тягового сопротивления динамичных почвообрабатывающих рабочих органов с параметрами его колебаний. Анализ математических моделей показывает, что свойства динамичности почвообрабатывающих рабочих органов, при работе на повышенных скоростях могут обеспечить увеличения частоты и количества колебаний, и уменьшения их периода, что позволяет повысить качество и снизить энергоемкость обработки почвы.

2.5 Методика определения эффективности функционирования почвообрабатывающих агрегатов

При оценке эффективности технологий и технических средств правильный выбор и обоснование критериев оптимальности является первостепенной задачей.

Методике выбора критериев оценки эффективности технических средств посвящены работы С.А. Иофинова, Л.Е. Агеева, В.И. Вайнруба, М.Г. Догановского, А.М. Валге, В.Г. Еникеева, А.А. Зангиева, Ф.Ф. Романова, Г.В. Каледина, А.А. Устроева, А.Н. Перекопского и других ученых [3, 11 - 12, 15-16, 25-27, 61, 66, 72-73, 102-114]. Критериям оптимальности предъявляются определенные требования [114], с учетом их значимости выбираются наиболее весомые [28]. С учетом сказанного, в качестве обобщенного критерия оценки эффективности разработанного экспериментального образца динамичных

почвообрабатывающих рабочих органов в составе почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ можно использовать показатель - размер ожидаемого годового экономического эффекта от его использования.

Размер ожидаемого годового экономического эффекта от использования МТА можно определить по формуле [25, 26]:

Эг = (Эн - Э* Ч, (2.34)

где Эн - базовое значение энергоемкости технологической операции, МДж /га; —*

Э( - оптимальное значение энергоемкости технологической операции, МДж/га;

tг - зональная годовая загрузка МТА, ч;

-*

Жч - оптимальное значение производительности МТА, га/ч.

Применительно к нашей работе, базовые значения Эн и Жчн соответствуют

энергоемкости обработки почвы и производительности почвообрабатывающего агрегата МТЗ-82+УКПА-2,4 с типовыми рабочими органами.

Размер годового экономического эффекта от использования МТА колеблется в широких пределах в зависимости от удельного сопротивления агрегата, зависящего от типа и состояния почвы, коэффициента использования времени смены, КПД агрегата и многих других производственных условий.

Для прогнозирования значения годового экономического эффекта в расчетах эффективности почвообрабатывающего агрегата значение годовой

загрузки tг можно принять равным 120 ч., что соответствует зональному нормативу СЗ зоны РФ.

ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ

1). Усовершенствована методика выбора критериев оценки эффективности почвообрабатывающих агрегатов. Она позволяет выбрать наиболее значимые критерии и сформировать на их основе сбалансированную систему для непрерывного контроля эффективности функционирования

почвообрабатывающих агрегатов.

2). Обоснованы основные конструктивные параметры нового почвообрабатывающего рабочего органа, наделенного свойствами динамичности, что обеспечивает высокую эффективность по сравнению с типовыми (нединамичными) рабочими органами, которые применяются на практике.

3). Разработаны математические модели для анализа и оценки показателей эксплуатационных качеств почвообрабатывающих рабочих органов и машин со свойствами динамичности. Изложена методика оценки эффективности МТА, позволяющая с высокой вероятностью прогнозировать величину годового экономического эффекта функционирования почвообрабатывающих агрегатов.

Рассмотренные теоретические предпосылки повышения эксплуатационных качеств почвообрабатывающих агрегатов позволили составить программу и разработать методику сравнительной энергетической оценки динамичного и типового рабочих органов, а также лабораторно-полевых исследований почвообрабатывающего агрегата с динамичными и типовыми рабочими органами.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Программа экспериментальных исследований

Программа экспериментальных исследований включает в себя:

- подготовка измерительно-информационной системы и технических средств для проведения экспериментальных исследований;

- проведение лабораторных исследований по сравнительной энергооценке почвообрабатывающих рабочих органов;

- проведение полевых экспериментальных исследований по энергооценке почвообрабатывающего агрегата МТЗ-82+УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с динамичными и типовыми рабочими органами;

- обработка и анализ результатов экспериментальных исследований.

3.2 Цель и задачи экспериментальных исследований

Целью исследований была получение экспериментальных данных, определение вероятностных оценок тягового сопротивления динамичных и типовых (нединамичных) почвообрабатывающих рабочих органов, закономерности их изменения в зависимости от глубины обработки почвы и скорости движения.

3.3 Объект и условия экспериментальных исследований

Были изготовлены экспериментальные образцы динамичных почвообрабатывающих рабочих органов (патент РФ на полезную модель 182130 «Рабочий орган для рыхления почвы», рисунок 3.1а и патент РФ на изобретение 2702551 «Рабочий орган для рыхления почвы», рисунок 3.1б, в).

Были обоснованы конструктивно-технологические параметры динамичных рабочих органов, которые приведены в подразделе 2.2.

Была исследована работа динамичного почвообрабатывающего рабочего органа (патент РФ 2702551) на жесткой (рисунок 3.3б) и упругой (рисунок 3.3 в) стойках.

а) б) в)

Рисунок 3.1 - Динамичные почвообрабатывающие рабочие органы: а -установка глубины обработки почвы; б, в - на жесткой и упругой стойках

Также были проведена сравнительная оценка динамичного (рисунок 3.1) и типового (рисунок 3.2) рабочих органов на упругой и жесткой стойках.

а) б)

Рисунок 3.2 - Типовой почвообрабатывающий рабочий орган на жесткой (а)

и упругой (б) стойках На полях на экспериментальной базы «Красная Славянка» ИАЭП- филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ была проведена сравнительная энергетическая оценка динамичных и типовых (нединамичных) почвообрабатывающих рабочих органов.

Установка глубины обработки почвы и общий вид агрегата при проведении сравнительной энергооценки рабочих органов показаны на рисунке 3.1. Время проведения исследований: сентябрь 2018 г. - август 2019 г. Исследования проводились в следующих условиях:

- Температура воздуха, днем, град. - 10.

- Площадь поля, га - 20.

- Длина гона (средняя) - 400 м.

- Влажность почвы - 24-27 %.

- Травостой, см - 10-15 см.

- Засоренность камнями на 1 м , шт. - 0,005.

- Средний размер камней, мм - 350.

- Тип почвы - дерново-среднеподзолистый. Почва - среднесуглинистая (легкосуглинистая) на мореном суглинке.

- Рельеф, град - 1-2.

- Гребнистость поверхности поля, см - 3-4.

- Ветер - северо-западный.

- Скорость ветра, м/с - 6 - 7.

- Давление, мм. рт. ст. - 754-756.

- Плотность почвы до обработки (МПа):

в слое: 10-20 см - 1,40.

На рисунке 3.3 представлен общий вид информационно-измерительного комплекса ИИК ИАЭП для сравнительной энергетической оценки рабочих органов.

Экспериментальные исследования проводились согласно ГОСТ Р 52777-2007.Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки. Стандартинформ. М:.,2008.

Рисунок 3.3 - Общий вид ИИК ИАЭП для сравнительной энергооценки

почвообрабатывающих рабочих органов При проведении экспериментальных исследований по энергооценке

почвообрабатывающего агрегата МТЗ-82+УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с

динамичными рабочими органами использовали информационно-измерительную

систему ИП 264, датчики оборота колес ИП 268, расходомер топлива DFM 90АР,

измеритель пути ИП 266, Тензометрическое звено типа PST-A5t ^05482),

пенетрометр Dickey-john и другие первичные преобразователи. Применялись

методы математического моделирования, основанные на изучении физических

закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы; экспериментальные

исследования по энергооценке почвообрабатывающих агрегатов, анализ и

обобщение экспериментальных данных.

Почвообрабатывающий агрегат МТЗ-82+УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с

динамичными рабочими органами (патент РФ на полезную модель 182130

«Рабочий орган для рыхления почвы», рисунок 3.4) был оборудован

информационно-измерительной системой ИП 264 для проведения энергетической

оценки.

Экспериментальные исследования проводились на различных скоростных и нагрузочных режимах работы почвообрабатывающего агрегата согласно ранее разработанной и утвержденной программы и методики экспериментальных исследований.

Рисунок 3.4 - Общий вид почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 ИАЭП-КалмГУ с динамичными рабочими органами

3.4 Методика экспериментальных исследований

3.4.1 Оборудование и измерительная аппаратура

Для проведения исследований использовался измерительный информационный комплекс, включающий в себя :

1. Навесную установку с тензометрическими тележками в агрегате с трактором класса тяги 1,4 т.

2. Измерительную информационную система ИП 264, обеспечивающая прием дискретных аналоговых сигналов от первичных преобразователей с последующей обработкой их либо в программе «Исследователь», либо передачей сохраненных массивов данных в другие программы для последующего анализа и оценки.

Навесная установка (рисунок 3.5) состоит из рамы, опорных колес с механизмом регулирования установочной глубины обработки почвы, двух тензометрических тележек, на которые закрепляются сравниваемые почвообрабатывающие рабочие органы.

а) - вид сзади; б) - вид сбоку Рисунок 3.4 - Экспериментальная установка для исследования рабочего органа

Тензометрические тележки позволяют с помощью кольцевых тензодатчиков производить измерения тягового сопротивления рабочих органов. Они представляют собой конструкции, состоящие из двух горизонтальных параллельных между собой направляющих закрепленных на раме установки. Для повышения чувствительности измерений опора кронштейна на направляющие осуществляется через подшипники качения. Расстояние, на котором установлены тележки, исключает взаимное влияние исследуемых рабочих органов друг на друга и в тоже время позволяет производить энергооценку рабочих органов в одинаковых почвенных условиях. Использование двух тележек позволяет сократить минимум в два раза количество необходимых опытов.

Для измерения тягового сопротивления рабочих органов используются кольцевые тензорезисторные силоизмерители. Конструкция тензоизмерительной тележки позволяет исключить влияние изгибающих моментов на силоизмеритель.

В кольцевом тензодатчике используется мостовая схема соединения тензорезисторов. Диапазон измерения растягивающих сил до 5 кН. Для измерения скорости перемещения измерительной установки используется импульсный измеритель пути ИП 268 разработки РосНИИТиМ.

Измерительная и информационная система позволяет получать первичную информацию с измерительных датчиков, сохранять ее, обрабатывать с получением необходимых первоначальных статистических характеристик.

Полученные первоначальные статистические характеристики позволяют выполнить сравнение исследуемых рабочих органов путем проверки «нулевой» гипотезы Г0, заключающейся в предположении о равенстве генеральных средних Уя1 =уя12 = у величин тяговых сопротивлений R1 и R2.

Для обоснования необходимого и достаточного объема первичной информации (показаний силоизмерительных датчиков) нами принято допущение, что при установившемся режиме работы почвообрабатывающих рабочих органов, постоянной скорости перемещения, отсутствия больших уклонов на обрабатываемом участке наблюдаются незначительные колебания средних значений характеризующих процесс, поэтому эти процессы можно считать стационарными. Также можно принять допущение, что процессы, протекающие при работе почвообрабатывающих рабочих органов удовлетворяют условию эргодичности, т.е. функция корреляции стремится к нулю при неограниченном росте временного сдвига t. Поэтому операцию усреднения можно выполнить по единственной реализации х(^) длительность Т которой может быть сколь угодно велика. Математическое ожидание случайного процесса в таком случае будет:

т=Нт/0ТхО:Ж. (3.1)

Для выполнения необходимых статистических характеристик случайных процессов реализации процессов нуждаются в дискретизации. Шаг квантования может быть определен по выражению:

= 4 • (3.2)

где /В - частота высшей гармоники процесса, Гц.

Величина ^ должна быть определена предварительно до проведения основного эксперимента. Для получения достоверных и надежных оценок математического ожидания т и дисперсии D процессов, которые при принятых допущениях m(f)=m=const и D(t)=D=const необходимо, чтобы время реализации Т > £0 , где ¿о - время корреляции.

Время корреляции определяется в ходе предварительных экспериментов через построение корреляционной функции на различных скоростях перемещения рабочего органа.

Для получения достоверных результатов число ординат числового массива N должно быть не менее N=T/At.

Для проверки гипотезы используем выборки значений тяговых сопротивлений сравниваемых рабочих органов, полученные в результате эксперимента.

Считаем, что исследуемые величины имеют одинаковый закон распределения (нормальный) отличающиеся положением центра и дисперсией. По результатам сравнительных исследований получаем два распределения нормально распределенных величин R1 и R2 с выборками п1=п2= п из генеральных совокупностей R1 и R2. Для проверки гипотезы используем то обстоятельство, что разность R1-R2 двух выборочных средних следует закону [54]:

N , ff(R1-R2)], (3.3)

И —И

В качестве критерия используем величину г = —-—— - нормированная

разность. — й2. Если гипотеза Г0 верна, то величина г подчинена закону N (г,0,1) в качестве критической области принимается область больших по абсолютной величине отклонений [г] > г^, где г^ представляет д%

удовлетворяющий условию Р([г] > гя) =~~.

С гипотезой Г0 конкурирует альтернативное предположение Г1, заключающееся в том, что у^ — у^2 < 0.

Для энергетической оценки почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами используются следующие показатели:

- тяговое сопротивление почвообрабатывающего агрегата RM, кН;

- мощность, потребляемая почвообрабатывающим агрегатом Км, кВт;

- часовой расход топлива GT, кг/ч.

Сравнительная энергооценка динамичных рабочих органов будет производиться по величине тягового сопротивления одного рабочего органа R,кН.

На первом этапе объектом исследований является макет почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами в агрегате с трактором МТЗ-82.

На втором этапе объектом исследований является динамичный рабочий орган. Для определения затрат энергии на выполнение технологической операции при экспериментальных исследованиях оцениваются следующие показатели:

- средняя скорость агрегата Уср за опыт, км/ч;

- среднее тяговое усилие сопротивления агрегата за опыт Рср, кН;

- среднее буксование ведущих колес трактора оср, %;

- часовой расход топлива о, кг/ч;

- мгновенная скорость перемещения динамичного рабочего органа Ум, км/ч;

- мгновенное тяговое сопротивление динамичного рабочего органа Рм и рабочего органа, лишенного динамичных свойств Рм, кН;

- средняя скорость перемещения динамичного рабочего органа за опыт Усрд, км/ч(м/с);

- среднее тяговое сопротивление динамического рабочего органа Рсрд и рабочего органа лишенного динамических свойств РсрМ, кН;