WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Повышение эффективности работы чизельного плуга для засоренных камнями почв путем обоснования его конструктивных параметров и режимов работы

На правах рукописи

Волков Александр Евгеньевич

Повышение эффективности работы

чизельного плуга для засоренных камнями почв

путем обоснования его конструктивных параметров и режимов работы

Специальность 05.20.01 –

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2007

Работа выполнена в Северо-Западном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства

Научный руководитель – кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Клейн Вячеслав Федорович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Попов Александр Александрович;

кандидат технических наук, доцент

Донченко Михаил Александрович.

Ведущая организация – Северо-Западная МИС.

Защита состоится “ 25 ” октября 2007 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета К 006.054.01 в Северо-Западном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 196625, Санкт-Петербург, п/о Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗНИИМЭСХ.

Автореферат разослан “ ____” _________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Черей Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях приоритетным направлением совершенствования почвообрабатывающих орудий является создание почвозащитных и энергосберегающих машин, обеспечивающих требуемое качество работы.

Основной задачей производителей сельскохозяйственной продукции является минимизация себестоимости продукции, которая обеспечивается путем повсеместной экономии ресурсов. Не менее важной задачей остается поддержание экологического состояния сельскохозяйственных угодий. В концепции почвозащитных технологий одним из способов улучшения физико-механического состояния почвы и ее водно-воздушного режима является глубокое рыхление почвы чизельными орудиями.

На качество и энергоемкость чизельной обработки почвы существенное влияние оказывают не только почвенно-климатические условия, но и тип и параметры самих рабочих органов чизельных орудий. Другой, не менее важной задачей при глубоком рыхлении почвы является повышение ресурса рабочих органов, работающих на почвах, засоренных камнями, путем рационального выбора типа предохранительного устройства и расчета его кинематических параметров. В этой связи возникает необходимость проведения исследований, направленных на решение данных задач.

Работа выполнена по зональной научно-технической программе «Механизация, электрификация и автоматизация», работа 02.03.02. «Разработать концепцию применения чизельных орудий в Северо-Западном регионе с учетом требований системы точного земледелия, научно обоснованные параметры и модульный чизельный плуг к тракторам классов 2 и 3».

Цель исследования. Повышение эффективности работы чизельного плуга для засоренных камнями почв путем снижения энергоемкости плуга и обоснования его конструктивных параметров и режимов работы при соблюдении агротехнических требований.

Объект исследования. Новые рабочие ораны и экспериментальный образец модульного чизельного плуга с изменяемой шириной захвата и рессорными предохранительными устройствами.

Научная новизна. Определены тип и рациональные геометрические параметры рабочего органа и предохранительного устройства, предложена математическая модель соударения ее с препятствием, которая позволяет представить процесс обхода препятствия чизельным рабочим органом с рессорным предохранительным механизмом. Предложена математическая модель для системы «трактор - чизельный плуг – почва» при линейной зависимости силы сопротивления почвы от скорости.

На основе исследований обоснованы и предложены рациональные параметры и режимы работы модульного чизельного плуга.

Практическая ценность и реализация результатов исследования.

Предложена конструкция чизельной стойки, позволяющая снизить тяговое сопротивление почвы при обработке засоренных камнями почв.

Результаты исследований использованы при создании экспериментального образца модульного чизельного плуга ПКЧ-(4+1)-50 для засоренных камнями почв конструкции СЗНИИМЭСХ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции СЗНИИМЭСХ в 2005 году и на научно-практической конференции преподавательского состава и аспирантов ЧГСХА (г. Чебоксары) в 2006 году.

Экспериментальный образец чизельного плуга прошел приемочные испытания на Северо-Западной МИС с оформлением сертификата соответствия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь статей.

Структура и объем диссертации. Диссертационный материал изложен на 140 страницах машинописного текста, в котором помещены 17 таблиц, 56 рисунков. Состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 88 наименований, из которых два на иностранном языке, и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе “Состояние вопроса и задачи исследования” проанализированы природно-климатические условия Северо-Западной зоны Российской Федерации. При этом для наиболее полного использования тяговых возможностей трактора и улучшения качества безотвальной обработки почвы в условиях Зоны необходимо создавать чизельные плуги с изменяемой шириной захвата, защищенных предохранительными устройствами.

Проведен обзор работ, в которых рассмотрены вопросы снижения тягового сопротивления плугов, из которых можно выделить четыре основных направления: исследования по уменьшению сопротивлению скольжения почвы о рабочие и опорные поверхности рабочих органов; использование колебаний; разработка различных конструкций рабочих органов; оптимизация формы, геометрических параметров рабочих органов.

Изложен анализ результатов исследований и производственной проверки по влиянию глубокого безотвального рыхления почвы чизельными орудиями на ее агрофизические и физико-механические свойства и на урожайность сельскохозяйственных культур.

Проведен обзор основных предохранительных устройств, применяемых в конструкциях почвообрабатывающих машин, в том числе и на чизельных плугах. Обоснован тип предохранительного устройства для чизельного плуга, исходя из современных критериев оценки сельскохозяйственных машин.

Проанализированы конструкции и технические характеристики зарубежных и отечественных конструкций чизельных плугов, выпускаемых промышленностью для агрегатирования с тракторами тягового класса 2 и 3. В качестве недостатка существующих конструкций чизельных плугов можно выделить особенности схем расположения рабочих органов, увеличение или уменьшение которых происходит по принципу соблюдения симметрии (по два рабочих органа). Чтобы расширить возможность применения одного и того же чизельного плуга с различными тяговыми классами тракторов необходимо сделать его модульным.

На основе анализа состояния вопроса и поставленной цели определены следующие задачи исследования:

- разработать информационную модель функционирования чизельного агрегата для снижения тягового сопротивления плуга, при условии выполнения агротехнологических показателей обработки почвы, с учетом оптимальной загруженности энергетического средства и конструктивных параметров чизельного плуга;

- обосновать пределы изменения конструктивных параметров чизельной стойки и определить их влияние на агротехнические и энергетические показатели глубокой обработки почвы;

- исследовать силовые воздействия препятствия на рабочий орган, снабженный рессорным предохранительным устройством;

- дать сравнительную оценку двух моделей чизельных плугов: ПЧ-2,5 и экспериментального образца модульного чизельного плуга;

Во второй главе “Теоретические предпосылки к созданию модульного чизельного плуга” предложена информационная модель чизельного агрегата, учитывающая поступательную скорость перемещения плуга в почве, его ширину захвата, угол рыхления, форму криволинейной стойки, глубину обработки почвы (рис. 1).

Входными величинами являются условия работы агрегата, влияющие на тягово-сцепные свойства трактора и сопротивление рабочей машины, а также на технико-экономические показатели агрегата: R(t) – удельное сопротивление почвы; (t) – влажность почвы; (t) – твердость почвы; U(t) – степень засоренности почвы камнями.

В качестве управляющих воздействий приняты: р(t) – поступательная скорость перемещения почвообрабатывающего агрегата; Bк(t) – ширина захвата чизельного агрегата; – угол рыхления рабочего органа; Rн – радиус кривизны рабочего органа; а(t) – глубина обработки почвы. Функционирование системы контролируется возмущающими воздействиями в виде ограничений: оптимальная рабочая скорость vопт и оптимальная загрузка трактора опт. Выходными параметрами являются: К(t) – снижение тягового сопротивления плуга, (t) – технологический показатель качества обработки.

Если обозначить ограничение технологического показателя качества обработки через [(t)], то критерий оптимизации можно сформулировать следующим образом: обеспечение минимального тягового сопротивления при соблюдении заданного качества обработки:

K(t) min, при (t) [(t)]. (1)

Теоретические предпосылки к обоснованию конструктивных параметров рабочего органа чизельного плуга. До настоящего времени развитие формы рыхлительных рабочих органов базировалось в основном на динамической теории почвообрабатывающих машин, т.е. с точки зрения наименьшей затраты усилия. Большой вклад в развитие почвообрабатывающих орудий в этом направлении сделан В.С. Жегаловым, Л.И. Воробьевым, С.П. Бубликом, Н.П. Зволинским, А.К. Кострицыным и др.

Теории проектирования рабочих органов почвообрабатывающих машин посвящены работы В. А. Желиговского, А.А. Василенко, С.Б. Зелигмана, Г.Н. Синеокова и др.

Немаловажное внимание форме рабочих органов уделили в своих работах А.Д. Далин и А. Н. Зеленин.

Рабочий орган чизельного плуга представляет собой стойку, на которой установлены сменные наральники: долото или стрельчатая лапа. Качество и энергоемкость глубокого рыхления почвы напрямую зависит от конструктивных параметров рабочего органа. К основным конструктивным параметрам чизельной стойки следует отнести форму лобового и бокового профилей, угол рыхления, геометрические параметры наральника.

Известно, что тяговое сопротивление рыхлящего или режущего рабочего органа возрастает тем интенсивнее, чем больше его угол рыхления. Из многочисленных экспериментальных исследований, проделанных ранее, можно выделить рекомендованные пределы изменения угла рыхления.

Н. Е. Черкасов исследовал сопротивление почвы резанию и установил, что с уменьшением угла резания от 45 до 30 сила резания уменьшилась на 10%. Основываясь на полученных сведениях, можно отметить, что при величине угла резания более 45 наблюдается интенсивное изменение части силы резания, идущей на преодоление лобовых сопротивлений (в среднем 7% на градус угла резания по отношению к значению при угле резания 45). В интервале угла резания 37-30 уменьшение названной части силы резания замедляется, а для некоторых почв наблюдается даже увеличение сопротивления почвы. Как показали исследования В.В. Труфанова, исходя из требуемого качества обработки почвы при чизелевании, угол рыхления следует принимать равным 25-30. Эти выводы приняты далее в качестве основания для рекомендаций в расчетах и введения некоторых постоянных параметров чизельного рабочего органа.

Кроме угла установки наральника, одним из факторов, влияющих на процесс рыхления, является выбор направляющей кривой стойки. Величина параметров направляющей кривой, ее вид и положение в значительной степени предопределяют крошащую способность чизельной стойки.

В общем случае сила сопротивления почвы (рис. 2), оказываемая на чизельную стойку, при блокированном резании, когда стойка перемещается в не разрушенной почвенной среде, состоит из силы лобового сопротивления Rл и силы сопротивления почвы в боковых расширениях прорези Rбок.

Рабочий орган создает дополнительное уплотнение почвы. Такое оттеснение сопровождается образованием грунтового нароста на ноже, если угол резания не меньше 30-35, поэтому сила сопротивления Rcт на подрезании боковых стенок при расчетах не учитывалась. Таким образом,

. (2)

Максимального значения сила сопротивления почвы по выражению (2) достигнет из условия, если направление ее действия будет перпендикулярно лобовой поверхности стойки.

Общее тяговое сопротивление чизельного орудия с прямыми стойками по В.В. Труфанову на основе рациональной формулы тягового сопротивления плуга, предложенной акад. В. П. Горячкиным, можно представить в виде

, (3)

где f – коэффициент сопротивления передвижению плуга в борозде; k – коэффициент, характеризующий способность почвенного пласта сопротивляться деформации; G – вес плуга; – коэффициент, зависящий от формы поверхности рабочего органа, свойств почвы и размеров почвенного пласта; а – глубина обработки; bн – ширина захвата рабочего органа (наральника); ВК – конструкционная ширина захвата чизельного орудия; n – число рабочих органов; Мn – ширина междуследия рабочих органов; hK – критическая глубина рыхления; k' – коэффициент, характеризующий способность почвенного пласта сопротивляться деформации; ' – коэффициент, деформации почвы; p – скорость движения агрегата.

Физическая природа коэффициентов f, k и, которые акад. В.П. Горячкиным в первом приближении приняты как постоянные, до конца не изучена. В частности, в формуле (3) безразмерный коэффициент f более или менее устойчив и мало зависит от почвенных условий. Его среднее значение(по Горячкину) – 0,35. Постоянство коэффициента k с увеличением глубины вспашки может нарушаться, о чем замечает и сам В.П. Горячкин, когда анализирует тяговые характеристики плугов, форма которых отличается от линейной.

Как известно, коэффициент k характеризует главную часть сопротивления плуга, а именно деформацию пласта в функции поперечного сечения. Однако его природа более сложна и зависит не только от физических свойств почвы, но и от размеров и формы отвала.

Касаясь чизельной стойки с криволинейной боковой поверхностью, то формула (3) не учитывает криволинейность боковой поверхности стойки. Проанализировав рациональную формулу акад. Горячкина, проф. Г.И. Покровский, исходя из рассмотрения деформаций сжатия и скручивания пласта, получающихся под действием формы отвала, приходит к такому выражению, где коэффициент k в формуле (3) определится величиной

, (4)

где Rн – радиус кривизны поверхности рабочего органа; tg() и tg(1)– коэффициенты трения между частицами почвы и стали по почве (для дерново-подзолистой, среднесуглинистой почвы tg()=0,3…0,5, tg(1)=0,4…0,8); – коэффициент объемного смятия почвы (для среднесуглинистой по стерне зерновых = 10,7…17,4); /l – скручивание пласта на единице длины.

Таким образом, тяговое сопротивление чизельного орудия с криволинейными стойками может быть найдено по формуле

, (5)

Средние значения коэффициентов, k' и ' при блокированном резании (если глубина обработки больше критической), по данным В.В. Труфанова, для средних почв по стерне сельскохозяйственных культур составляют = 16102 Н с2/м, k'= 22104 Н/м2 и '= 158102 Н с2/м.

После подставления в (3) – (5) значений ряда параметров, принятых для расчета конкретной чизельной стойки постоянными при плуга n = 5, получим значения расчетного тягового сопротивления. Изменяемые параметры стойки: прямой – a, bн, и р, криволинейной – a, bн, р и R. Результаты сравнения рабочих органов приведены на рис. 3.

На основании теоретических исследований можно предположить:

1) лучшее крошение почвы должен обеспечивать рабочий орган, форма поперечного сечения которого выполнена по дуге окружности или близкой к ней;

2) наименьшие затраты энергии на деформацию имеют место в том случае, если почвенный пласт при дальнейшем прохождении по лобовой поверхности стойки будет изгибаться по криволинейной траектории. Это может быть только тогда, когда образующие лобовой поверхности будут такой же кривизны, которую пласт получает в начале подъема, т. е. будут вогнутыми с таким же радиусом кривизны.

Приведенные зависимости в графическом виде доказывают увеличение тягового сопротивления при приближении к форме прямой стойки. Для уточнения сделанных предположений следует провести экспериментальные исследования.

Влияние конструкции чизельной стойки в системе «трактор чизельный плуг почва» на величину тягового сопротивления. Предложена математическая модель для системы «трактор – чизельный плуг – почва» (рис. 3) при линейной зависимости сопротивления R почвы от скорости. Рассмотрение исследуемой далее модели обосновано включением в нее основных механических составляющих: падающей со скоростью тяговой характеристики трактора; жесткого элемента, связующего массы и линейного сопротивления почвы

, (6)

где – суммарная масса трактора (Т ) и рамы со стойками (здесь М и - масса трактора и чизельной стойки с наральником; - радиус расположения наральника (расстояние от оси О вращения стойки до носка рыхлящего долота); - сила тяги трактора с параметрами Р0 и b; - сила сопротивления почвы.

Введем некоторые допущения: скорость трактора и параметры почвы постоянны на пути движения стойки, а сила R линейно зависит от скорости системы.

Оценить прогнозируемость модели (6) можно, сравнив тяговые параметры и режимы работы двух чизельных агрегатов в составе трактора Т-150К и модели чизельного плуга, полученные экспериментально для разных видов стоек. Для сравнения взяты: серийный чизельный плуг ПЧ-2,5 с прямыми стойками и экспериментальный образец чизельного плуга конструкции СЗНИИМЭСХ со стойками с криволинейной боковой поверхностью. Оба плуга со стреловидной схемой несущей рамы имели одинаковое междуследие Мп = 0,5 м, число стоек n = 5 и ширину захвата BK = 2,5 м.

С точки зрения конструкции оба использованных чизельных плуга имели по одному (первому) корпусу, работающему при условиях блокированного резания. Остальные корпуса находились в условиях полусвободного резания.

Опытные значения тягового сопротивления RПР плуга ПЧ-2,5 (V-образная рама, массой 1700 кг) взяты на основе экспериментальных данных В.В. Труфанова на старопахотных почвах по стерне пшеницы при глубине обработки а = 0,36 м в интервале скоростей от 0,84 до 2,64 м/с. Значения тягового сопротивления RКР образца плуга ПКЧ-(4+1)-50 (треугольная рама, массой 1150 кг) получены в результате проведенных в СЗНИИМЭСХ исследований среднесуглинистых почв по стерне зерновых при глубине обработки а = 0,44 м в интервале скоростей от 0,82 до 2,75 м/с.

Графические изображения отдельных слагаемых уравнения (6) при агрегатирование трактором Т-150К представлены на рис. 4.

Анализируя график, представляющий динамическую модель, видно, что в т. В пересечения кривых PT и RКР наблюдается установившийся режим. При скорости агрегата КР = 2,1 м/с и данных почвенных условий трактор оптимально загружен (т. е. такой режим характеризуется минимальным расходом топлива). В рассматриваемом диапазоне скоростей сила сопротивления криволинейных стоек ниже, чем прямых. При неизменном режиме движения МТА можно записать> 0.

На чизельной обработке почвы прямыми стойками ПР = 1,4 м/с. При этом т. А соответствует точке установившегося режима для плуга ПЧ-2,5. Видно, что его тяговое сопротивление при равных условиях значительно выше, чем плуга со стойками с криволинейной боковой поверхностью.

Теоретическое обоснование работы предохранительного устройства чизельного плуга. Работа предохранительных механизмов, у которых при обходе препятствия рабочий орган поворачивается в продольно-вертикальной плоскости вокруг горизонтального шарнира, изучена в трудах Е.И. Давидсона, В.И. Вайнруба, И.М. Панова, Л.Х. Кима и других ученых.

Для исследования ударного процесса составим для него математическую модель соударения рабочего органа и препятствия.

Ударный импульс S, действовавший на рабочий орган в течение промежутка времени является величиной конечной. Удары, возникающие при столкновении звеньев, входящих в одну механическую систему, не могут вызвать изменения скорости движения ее центра масс, поэтому моментом трения в шарнирах предохранительного механизма и моментом силы, удерживающей рабочий орган в заглубленном состоянии, можно пренебречь.

Учитывая, что w0 = 0, т. к. до удара рабочий орган имел прямолинейное движение, то момент ударной силы определится как

, (7)

где J0 – момент инерции рабочего органа относительно оси горизонтального шарнира; w, w0 – угловая скорость в конце и в начале удара, соответственно

При встрече рабочего органа с препятствием, например, с камнем-валуном, рабочий орган выглубляется, скользя по поверхности этого камня (рис. 5).В зависимости от конфигурации поверхности камня происходит изменение угла по линии скольжения рабочего органа. Для упрощения расчета примем, что препятствие является клином с углом.

Для определения горизонтальной составляющей ударной силы Fsx, стремящейся повернуть грядиль вокруг шарнира О в соответствии с выражением (7), необходимо определить угловую скорость поворота w

, (8)

где 0 – угол наклона r0 к вертикали; – угол поворота грядиля в плоскости xz.

При рассмотрении ударного процесса определим коэффициент восстановления kв, который зависит от материала соударяющихся тел, их формы и соотношения их масс. Для этого воспользуемся теоремой Карно

, (9)

После подстановки (7) и (8) в выражение (9) определим kе

, (10)

Выражение (10) показывает, что kв зависит от радиуса и угла поворота относительно оси крепления рабочего органа, а также от формы препятствия. Расчитанный по выражению (10) kв изменяется в пределах 0,42 – 0,7, тем самым подтверждая, что удар является не вполне упругим.

В расчете приняли: удельный вес стали ст = 7,85 Г/см3; g = 9,81 м/с2, момент инерции грядиля (относительно оси О) J0 = 4,47 кг м с2.

Момент ударной силы относительно оси О определится как

, (11)

где FSX, FSZ – проекции силы FS на оси X и Z ; lFs, L0– расстояния от носка до шарнира в X- и Z-проекциях

В момент удара = 0, поэтому FSX и FSZ определяются из (7), (8) и (11)

,

(12)

Выражение (12) отражает зависимость ударной силы Fs от параметров препятствия () и предохранительного механизма (r0, lFs, о). Моделирование (при P=0,8…2,1 м/с; = 30…70) показало, что lFs должен быть не менее 0,73 м, при ro = 0,8…1,0 м в зависимости от lFs. Потери энергии при ударе значительны (рис. 6), а удар является не упругим.

В третьей главе “Программа и методика экспериментальных исследований” описаны конструкции лабораторно-полевых установок, приборы и оборудование, используемые при исследованиях. Объектами исследования являлись однокорпусная лабораторно-полевая установка далее ЛПУ (рис. 7, б) в агрегате с трактором МТЗ-82 и агрегат, составленный из трактора Т-150К или МТЗ 2022.3 и экспериментального образца чизельного плуга модульного типа ПКЧ-(4+1)-50 (рис. 7, а) с изменяемой шириной захвата (конструкции СЗНИИМЭСХ).

Планом предусматривалось выполнение следующих работ:

1. Проверка теоретических предпосылок о влиянии формы чизельной стойки на качество и энергоемкость глубокого рыхления: динамометрирование исследуемых лабораторных установок, определение тягового усилия рабочих органов плуга с разными параметрами и на разных скоростях движения при достижении устойчивого хода;

2. На основе аналитического обзора, рассмотренного в первой главе и теоретических исследований, проведенных во второй, получить необходимые исходные данные в лабораторных и полевых условиях для выбора типа и обоснования параметров предохранительного устройства;

3. Определение тяговых и агротехнических показателей экспериментального образца модульного чизельного плуга;

4. Сравнение тяговых показателей экспериментального образца модульного чизельного плуга и серийного чизельного плуга ПЧ-2,5.

Однокорпусная лабораторно-полевая установка была оснащена динамометрической автосцепкой к тракторам класса 1,4 (МТЗ-82) для определения горизонтальной составляющей тягового сопротивления установки. Для регистрации и записи сигналов, поступающих с тензометрических датчиков автосцепки, использовался комплект аппаратуры, размещенный автономно в тракторе. Комплект состоял из: измерительного блока (архив, реле), конвертера, переносного персонального компьютера. Все данные в режиме реального времени записывались в виде таблицы программы Microsoft Excel, с которыми проводили дальнейшую статистическую обработку.

Для лабораторных исследований предохранительного устройства использовали стационарную установку с горизонтальным перемещением препятствия с помощью трособлочной системы. Для полевых исследований использовали однокорпусную установку, грядиль которой был оснащен тензорезисторами для определения усилий в узлах устройства. Путь, пройденный агрегатом измеряли при помощи индукционного датчика. Все датчики соединялись с усилителем ТОПАЗ-4-01 и осциллографом Н-700. Обработка материалов, полученных во время опытов, проводилась статистическими методами с использованием электронных таблиц Microsoft Excel.

В четвертой главе "Результаты исследований” приведены результаты, полученные в ходе лабораторных и полевых исследований.

Для установления функциональной зависимости между формой чизельной стойки и физико-технологическими свойствами обработанной почвы в экспериментах использовали два типа стоек с прямым (рис. 8, а) и криволинейным (рис. 8, б) боковыми профилями. Обе стойки имели: = 30; bн = 270 мм при а = 30 см и bн = 70 мм при а = 45 см. Полевые испытания рабочих органов проводили на среднем суглинке (агрофон – стерня зерновых культур) и на легком суглинке (агрофон – поле после уборки картофеля) на полях СЗ МИС.

Влияние работы экспериментальной чизельной стойки с криволинейным боковым профилем (далее КС) на физические свойства почвы значительно лучше, чем чизельной стойки с прямолинейным боковым профилем (далее ПС).

Так, по мере увеличения глубины рыхления, начиная с глубины около 10 см, плотность почвы разрыхленной ПС значительно больше, чем плотность почвы, обработанной КС. Если на глубине 10 см не наблюдается разницы в плотностях почвы в обоих вариантах, то на глубине 30 см разница составляет примерно 60 кг/м3, а плотность почвы, обработанной КС по глубине более равномерна, чем при работе ПС.

Качество рыхления почвы в обоих вариантах одинаково до глубины «плужной подошвы» (до 25 см). Далее пористость и степень рыхления Кр КС увеличились по сравнению с ПС на 10%, что свидетельствует о достаточно хорошем условии ( = 50%, Кр = 16%), созданным КС в почве для нормального водно-воздушного цикла.

С увеличением скорости агрегата Кр (подпахотного горизонта, в том числе «плужной подошвы») увеличилась на 3-5%. При этом Кр КС по сравнению с ПС увеличилась на 5-12%. Результаты тяговых испытаний стоек приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты энергетической оценки работы чизельных стоек

№ опыта Агрофон Тип стойки Средняя глубина по следу, м Тяговое сопротивление рабочего органа, кН Скорость движения, м/с
1 Стерня зерновых Криволинейная 0,45 7,26 2,40
2 Прямая 0,42 11,1 2,20
3 Поле после картофеля Криволинейная 0,30 6,83 2,40
4 Прямая 0,35 7,80 3,05

Из табл. 1 видно, при рыхлении стерни при равных P и а в опыте 1 тяговое сопротивление уменьшилось на 35% по сравнению с опытом 2 – эти изменения нашли отражение в силовых зависимостях процесса. Зоны распространения деформации почвы с боковых сторон в процессе рыхления пересекались в обрабатываемом слое, в результате в верхнем слое осуществлялось сплошное рыхление. С увеличением подворота боковой поверхности стойки крошение почвы увеличивалось, так как при этом увеличивалось сжимающее воздействие лобовой поверхности стойки. Основное давление почвы испытывало рыхлящее долото, на котором происходили начальные деформационные процессы.

В случае ПС при глубине больше критической (блокированное резание) деформированные частицы, пройдя длину долота, поднимались по стойке до некоторой высоты, при которой внутреннее давление перемещающейся почвы выравнилось с внешним давлением, оказываемым со стороны нетронутого почвенного массива, и деформированная почва разрушилась.

В случае КС пласт почвы вначале частично деформировался наральником, вследствие этого стойка перемещалась в уже разрушенном объеме почвы, при этом выравнивание давления в пласте и его разрушение наступили раньше, чем у ПС, в результате было достигнуто снижение энергоемкости.

Такая же картина наблюдалась на другом агрофоне в опытах 3 и 4 – с менее ощутимой разницей – 13%. Это связано с тем, что рыхление происходило на докритической глубине с большей шириной захвата наральника. Обработанный участок почвы имел более широкую зону разрыхления и большую толщину взрыхленного верхнего слоя почвы по сравнению с опытами 1 и 2.

В результате эксперимента по определению тягового сопротивления КС в зависимости от P и а получено уравнение регрессии

, (13)

Анализируя уравнение (13) можно сказать, что на сопротивление КС влияют не только сами факторы, но и их взаимодействие. Знак «плюс» свидетельствует о том, что с увеличением значения фактора величина отклика возрастает. Чем больше значение фактора, тем сильнее его влияние.

Результаты исследований предохранительного устройства. Силовая характеристика кинематической схемы исследуемого рессорного предохранителя, построенная графо-аналитическим способом, оказалась аналогична характеристике при статическом нагружении.

Сила FS удара по результатам лабораторных опытов зависит от hп высоты и п скорости препятствия и Рр давления (натяжения) рессоры. После обработки опытных данных получены зависимости силы удара от скорости, высоты препятствия и натяжения рессоры предохранителя

, (14)

, (15)

, (16)

По результатам опытов было рассчитано уравнение регрессии

, (17)

Анализ кинематической схемы предохранительного механизма, проведенный с учетом статических нагружений и экспериментальных характеристик изменения усилий на рабочем органе нашел свое отражение в экспериментальном образце чизельного плуга.

Результаты полевых испытаний экспериментального образца чизельного плуга приведены в табл. 2

Таблица 2

Основные показатели при полевых испытаниях МТА

Показатель Значение показателя
безотвальная обработка почвы из-под пропашных культур глубокое рыхление почвы из-под зерновых культур
Состав агрегата Т-150К+ ПКЧ-(4+1)-50 Т-150К+ ПКЧ-(4+1)-50 МТЗ 2022.3+ ПКЧ-(4+1)-50
Скорость движения, км/ч 8,52 7,59 7,75
Средняя ширина захвата, м 2,2 2,2 2,3
Средняя глубина обработки, см 32,8 44,5 45,3
Крошение почвы по содержанию фракций до 5 см, % 53,1 43,9 55,0
Глубина борозд на поверхности, % 27,1 16,3 14,8
Глубина заделки раст. остатков, см - 11,7 14,1
Производительность основного времени за 1 ч, га 1,88 1,66 1,77
Удельный расход топлива за время сменной работы, кг/га 13,33 15,03 13,60
Коэффициент технологического обслуживания 0,99 0,99 0,99
Коэффициент надежности технологического процесса 1,00 1,00 1,00
Коэффициент использования сменного времени 0,75 0,75 0,76
Коэффициент использования эксплуатационного времени 0,74 0,74 0,74

В пятой главе “Экономическая эффективность использования плуга с изменяемыми параметрами” приведены результаты расчетов экономической эффективности использования модульного чизельного плуга ПКЧ-(4+1)-50 в сравнении с чизельным плугом фирмы «Kverneland».

Расчет экономической эффективности использования плугов проведен в соответствии с общепринятой методикой оценки результатов научно-исследовательских работ, который показал, что применение чизельного плуга ПКЧ-(4+1)-50 вместе с уменьшением удельных капиталовложений на 22,6% позволяет снизить удельные затраты труда на 7,14%, приведенные затраты не менее, чем на 14,3%, а эксплуатационные затраты – 11,76% по сравнению с плугом фирмы «Kverneland».

При лимитной цене 160000 руб. и нормативной загрузке пахотного агрегата 200 га экономический эффект от использования чизельного плуга ПКЧ-(4+1)-50 составит 33963,0 руб.

Выводы и предложения

1. Разработанная информационная модель позволила выявить управляющие факторы функционирования чизельного агрегата, подлежащие обоснованию: р(t) – поступательная скорость перемещения агрегата; Bк(t) – ширина захвата агрегата; – угол рыхления; Rн – радиус кривизны рабочего органа; а(t) – глубина обработки почвы.

2. Для снижения тягового сопротивления и достижения требуемых показателей качества глубокой обработки на различных агрофонах более эффективно применение чизельного рабочего органа, форма бокового профиля которого выполнена по дуге окружности с радиусом Rн = 0,3 м; углом рыхления = 30…32 и с высотой h рабочей части стойки не менее 0,6 м. Проведенные опыты показывают что на глубине более 0,25 м при рыхлении такой стойкой пористость и степень рыхления увеличиваются на 10%, тяговое сопротивление уменьшается на 35% (на стерне зерновых при а = 0,45 м) и на 13% (на поле из-под картофеля при а = 0,30 м) – по сравнению со стойкой с прямым боковым профилем.

3. Предложена динамическая модель для системы «трактор - чизельный плуг – почва» при линейной зависимости силы сопротивления почвы от скорости. На основе опытных и расчетных данных приведено сравнение чизельных агрегатов с разными по форме рабочими органами. В диапазоне скоростей Р=1,0…2,5 м/с и глубине обработки а = 0,35…0,45 м тяговое сопротивление агрегата с КС оказалось значительно ниже, чем агрегата с ПС. На стерне зерновых при скорости агрегата Р = 2,1 м/с и а = 0,44 м трактор был оптимально загружен, т. е. такой режим характеризовался минимальным расходом топлива при этом качество выполнения технологической операции соответствовало агротребованиям.

5. Разработана математическая модель соударения чизельной стойки с препятствием, которая позволяет представить процесс обхода препятствия рабочим органом с рессорным предохранительным механизмом. При моделировании ударного процесса (при P= 0,8…2,1 м/с; = 30…70) обосновано, что параметр lFs должен быть не менее 0,73 м, при ro = 0,8…1,0 м в зависимости от lFs.Силовые характеристики кинематической схемы предохранительного устройства, полученные экспериментально (уравнение 17), нашли свое отражение в конструкции рабочего органа.

6. По результатам исследований был изготовлен опытный образец чизельного плуга ПКЧ-(4+1)-50. Плуг прошел приемочные испытания на СЗ МИС с оформлением сертификата соответствия.

7. При нормативной загрузке чизельного агрегата ожидаемый годовой экономический эффект от использования результатов научно – исследовательских работ составляет 33963,0 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Волков А.Е. Влияние параметров почвы на конструкцию чизельной стойки // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2007. – №5. – с. 37-39

2. Клейн В.Ф., Щербаков В.А., Волков А.Е. Особенности разуплотнения почв и обоснование конструкции модульного чизельного плуга. // Экология и сельскохозяйственная техника / М-лы 4-ой НПК. Т.2. Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин. – С. – Пб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ, 2005. – с. 80-85

3. Волков А.Е. Обоснование предохранительного механизма чизельного плуга для обработки засоренных камнями почв // Технологии и средства механизации сельского хозяйства. / Сб. науч. трудов СПбГАУ. – С. – Пб., 2006. – с.49-55

4. Волков А.Е. Теоретические исследования параметров предохранительного механизма чизельного плуга // Инновации молодых ученых – развитию АПК России / Сб. м-лов НПК. Ч. 2. Инновации – основа экономического роста АПК. Инженерно-техническое обеспечение АПК. – Великие Луки: РИО ВГСХА, 2006. – с. 125-128

5. Волков А.Е. К обоснованию модульного чизельного плуга для каменистых почв // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / Сб. науч. тр. – Вып. 78. – С. – Пб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2006. – с. 81-85

6. Волков А.Е. К вопросу обоснования параметров чизельного плуга для обработки засоренных камнями почв // Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки / Сб. науч. тр. межрегиональной НПК конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Чебоксары: ООО «Полиграф», 2006. – с. 237-239

7. Клейн В.Ф., Волков А.Е. Теоретические предпосылки к обоснованию конструктивных параметров чизельной стойки // М-лы Всероссийской конференции, посв. 75-летию со дня открытия Чувашской ГСХА. – Чебоксары: ЧГСХА, 2006. – с. 447-450

8. Клейн В.Ф., Волков А.Е., Нисин Д.С. Модульный комбинированный глубокорыхлитель // Экология и сельскохозяйственная техника / М-лы 5-ой МНПК. Т. 2. Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин. – С. – Пб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2007. – с. 165-177

Подписано к печати «___»____ 200__ г. Заказ №____

Объем 1 печ.л. Тираж 75 экз.

Ризограф СЗНИИМЭСХ



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.