Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы повышения эффективно сти функционирования малогабаритных почвообрабатывающих фрез и постановка задач исследования 15
1.1 Область использования малогабаритных почвообрабатывающих машин и анализ технологических процессов обработки почвы 15
1.2 Анализ существующих конструкций малогабаритных почвообрабатывающих машин
1.2.1 Конструкции отечественных малогабаритных почвообрабатывающих машин 20
1.2.2 Конструкции зарубежных малогабаритных почвообрабатывающих машин и их особенности 23
1.2.3 Классификация малогабаритных почвообрабатывающих машин
1.3 Анализ факторов, влияющих на стабильность протекания технологических процессов обработки почвы 37
1.4 Анализ известных исследований по обеспечению стабильности протекания технологических процессов обработки почвы фрезами 40
1.5 Выбор способов и средств обеспечения стабильности протекания технологического процесса обработки почвы.
Обоснование конструкции малогабаритных почвообрабаты-вающих машин 46
Выводы по первой главе 49
2 Теоретическое обоснование основных параметров и режимов работы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
2.1 Особенности кинематики и динамики работы самоходных почвообрабатывающих малогабаритных фрез с адаптивным регулированием режимов работы 51
2.2 Динамический анализ работы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы 53
2.3 Анализ курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
2.3.1 Анализ курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы в продольно-вертикальной плоскости 63
2.3.2 Анализ курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы в продольно-вертикальной плоскости при ее 72 качании относительно оси ходовых колес
2.4 Анализ баланса потребляемой мощности самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режима работы 80
Выводы по второй главе 84
3 Программа и методика экспериментальных исследований работы почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы 86
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 86
3.2 Методика математического планирования многофакторного эксперимента 88
3.2.1 Методика обработки экспериментальных данных 92
3.3 Методика исследования физико-механических свойств почвы 96
3.3.1 Методика определения влажности почвы 97
3.3.2 Методика определения твердости почвы и коэффициента объемного смятия
3.3.3 Методика определения коэффициента трения почвы 101
3.3.4 Методика определения качества крошения почвы
3.4 Устройство и принцип работы экспериментально-измерительного комплекса «Почвенный канал» 103
3.5 Организация проведения полевых испытаний и описание оборудования
Выводы по третьей главе 118
4 Результаты эксперементальных исследований и их анализ 120
4.1 Проведение экспериментальных исследований режимов работы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы и основные результаты
4.1.2 Анализ курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы в продольно-вертикальной плоскости
4.1.3 Анализ энергоемкости фрезерования почвы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезой с адаптивным регулированием режима работы
4.1.4 Исследование энергоемкости обработки почвы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезой с адаптивным регулированием режима работы
4.2 Описание конструкции предлагаемой самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы 148
4.2.1 Устройство, состав и принцип работы блока управления режимами работы фрезы 150
4.3 Основные результаты полевых испытаний фрезы 159
4.3.1 Анализ энергоемкости процесса фрезерования почвы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезой с адаптивным регулированием режима работы в полевых условиях
4.3.2 Анализ агротехнической оценки полевых испытаний 162
Выводы по четвертой главе 166
5 Технико-экономическая оценка работы самоходной малогабаритной почвообрабаты вающей фрезы с адаптивным регулированием режима работы 169
Выводы по пятой главе 176
Заключение 177
Список использованных источников
- Анализ существующих конструкций малогабаритных почвообрабатывающих машин
- Динамический анализ работы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
- Методика обработки экспериментальных данных
- Описание конструкции предлагаемой самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
Введение к работе
Актуальность темы. Продовольственная безопасность страны определяется объемом производства продукции растениеводства, на которую существенным образом влияет качество подготовки почвы под реализацию различных операций возделывания и выращивания. Одной из операций возделывания сельскохозяйственных культур является фрезерование, осуществляемое специальными почвообрабатывающими машинами, среди которых при производстве овощей в открытом и закрытом грунтах наибольшее распространение получили самоходные малогабаритные почвообрабатывающие фрезы (СМПФ).
Фрезерование обеспечивает высокое качество работы по таким технологическим показателям, как рыхление (крошение), выравнивание поверхности почвы, перемешивание ее с минеральными удобрениями и другие. Вследствие того что почва неоднородна как по составу, так и по физико-механическим свойствам, возникает неравномерность загруженности двигателя фрезы, нарушается ее курсовая устойчивость, повышается энергоемкость фрезерования и в итоге ухудшается качество обработки почвы. Следовательно, необходимо разрабатывать и использовать такие фрезы, которые могли бы адаптироваться к этим неблагоприятным факторам. Как показали исследования, большинство используемых сегодня СМПФ являются однорежимными и не могут обеспечить требуемое качество обработки в широком диапазоне почвенных условий, что отрицательно сказывается на эффективности их функционирования в различных условиях. В связи с этим исследования, направленные на решение проблемы адаптации СМПФ к изменению свойств и состояния обрабатываемой почвы, являются весьма актуальными.
Степень разработанности темы. Диссертационное исследование развивает проблему повышения эффективности функционирования СМПФ, которой в разные годы занимались А. П. Акимов, П. А. Ишкин, В. Ф. Купряшкин, А. А. Ларюшин, А. И. Лещанкин, А. В. Мачнев, В. И. Медведев, С. Г. Мудари-сов, М. Ф. Сенин, М. Н. Чаткин и другие исследователи.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», отвечающей приоритетным научным работам университета (ПНР-1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).
Цель исследования – снижение энергоемкости и повышение производительности самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы за счет адаптации режимов ее работы к изменяющимся свойствам почвы.
Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработать метод адаптации режима работы малогабаритной почвообрабатывающей фрезы к изменяющимся свойствам почвы и устройство для его реализации, обеспечивающие повышение ее производительности и снижение
энергоемкости при соблюдении устойчивости ее хода и требуемого качества обработки почвы.
-
Получить математические модели движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией выбора режимов работы (СМПФА) и исследовать ее конструктивные параметры и особенности выполняемого технологического процесса.
-
Получить условия курсовой устойчивости функционирования фрезы при комбинированной работе рабочих органов со сканером твердости почвы.
-
Экспериментально установить зависимости силовых факторов, действующих на СМПФА со сканером твердости почвы, от конструктивных параметров, технологических режимов работы и свойств почвы.
5. Провести полевые испытания опытного образца СМПФА в различных
почвенных условиях.
6. Определить технико-экономические показатели работы опытного образца
СМПФА в условиях хозяйства.
Объект исследования – функционирование самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с непрерывным мониторингом твердости обрабатываемой почвы и соответствующей ей адаптацией выбора режимов работы.
Предмет исследования – конструктивно-технологические и энергетические параметры самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с возможностью адаптации режимов ее работы к изменяющимся свойствам почвы.
Научную новизну работы составляют:
– метод обеспечения адаптации выбора режима работы фрезы к условиям ее функционирования на основе установленной взаимосвязи между ее оптимальными режимами работы и свойствами почвы;
– математические модели движения рабочих элементов самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией выбора режимов работы, ее конструктивные параметры и особенности выполняемого технологического процесса;
– условия курсовой устойчивости СМПФ со сканером твердости почвы, заключающиеся в отсутствии возникновения буксования ходовых колес, самопроизвольного перекатывания под действием подталкивающей силы и качания относительно оси ходовых колес при комбинированной работе фрезбарабанов;
– уравнения, описывающие зависимость силовых характеристик взаимодействия фрезерных рабочих органов самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией режимов ее работы с почвой от ее твердости, подачи на нож и глубины, а также зависимости ее мощности и удельной энергоемкости фрезерования почвы от этих факторов, режимов работы, весовых характеристик и конструктивных параметров.
Практическую значимость представляют:
– методика определения предельно допустимых значений подачи на нож самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией режимов работы в зависимости от ее массовых и геометрических характеристик и
свойств обрабатываемой почвы при различной глубине обработки при условии обеспечения ее курсовой устойчивости;
– новые конструкции самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с возможностью адаптации режимов ее работы при высокой эффективности функционирования;
– модернизированный экспериментально-измерительный комплекс «Почвенный канал» для исследования рабочих органов самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией выбора режимов работы, стабилизацией глубины обработки, а также устойчивости ее хода;
– автоматизированный измерительный комплекс на базе программного обеспечения ZETLab фирмы ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы»;
– опытный образец самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией режимов ее работы к условиям почвы.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные результаты исследований апробированы на ОАО «МордовАгроМаш» и в ГУП РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий», в КФХ «Елисеев А. Н.» Ромодановского района РМ, внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии во всех этапах исследования: разработке и реализации плана теоретических и экспериментальных исследований; разработке экспериментальных установок; разработке, проектировании и изготовлении опытного образца фрезы; обработке и интерпретации полученных результатов; подготовке и написании научных статей; оформлении заявок на патенты и внедрении результатов.
Апробация и публикация результатов работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: наука, техника, образование» (г. Саранск, 2007 г.); республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (г. Саранск, 2008 г.); международных научно-практических конференциях «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009–2015 гг.); «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2009 г.); «Теория машин и рабочих процессов» (г. Бишкек, 2013 г.); «Перспективы развития сельскохозяйственного процесса» (г. Нижний Новгород, 2015 г.); Огаревских чтениях ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2010–2015 гг.); на расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (2010–1015 гг.).
Научно-производственная услуга «Проектирование и опытное производство адаптивных высокоэффективных малогабаритных почвообрабатывающих машин и рабочих органов к ним» – лауреат республиканского и всероссийского этапов Всероссийского конкурса «100 лучших товаров России» (2014 г.).
По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, в том числе 6 – в журналах, рекомендуемых ВАК, получено 13 патентов на изобретения и полезные модели.
На защиту выносятся следующие положения:
– обоснование метода адаптации режима работы фрезы к свойствам обрабатываемой почвы для обеспечения устойчивости хода фрезы, повышения ее производительности, снижения энергоемкости при сохранении требуемого качества обработки почвы;
– динамический анализ движения самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией режимов работы для дальнейшего расчета систем регулирования загрузки и конструктивных параметров ее рабочих органов;
– исследования, обеспечивающие курсовую устойчивость фрезы (отсутствие буксования ходовых колес, самопроизвольного перекатывания фрезы под действием подталкивающей силы, качания фрезы относительно оси ходовых колес) при комбинированной работе фрезбарабанов со сканером твердости почвы;
– исследования по определению оптимальных режимов работы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы по критерию минимальной энергоемкости обработки почвы для определения зон допустимых подач на нож при обеспечении условий ее курсовой устойчивости и требуемого качества обработки почвы;
– лабораторные исследования взаимодействия рабочих органов фрезы с почвой совместно со сканером твердости в зависимости от ее свойств, подачи на нож и глубины обработки и полевые испытания самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптацией режимов работы, а также технико-экономическая оценка ее функционирования.
Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 10 %), использованием в исследованиях высокотехнологичного оборудования и современных программных средств. Результаты исследований прошли широкую апробацию в печати и на научно-практических конференциях, внедрены или приняты к внедрению в производство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, включает 59 рисунков, 16 таблиц, 165 источников литературы и приложения.
Анализ существующих конструкций малогабаритных почвообрабатывающих машин
Под малогабаритной почвообрабатывающей машиной (МПМ) будем понимать почвообрабатывающую машину, имеющую принудительный (от собственного двигателя) привод вращающихся рабочих органов и управляемую при помощи человека [23].
МПМ широко используют для фрезерования почвы в личных подсобных, фермерских, тепличных хозяйствах, а также в условиях ограничения участков местности. Они применяются [15, 17, 81, 149,] для уничтожения сорняков, равномерного перемешивания удобрений с почвой, создания мелко комковатого строения разрыхляемого слоя. Фрезерная обработка за счет качественного крошения и перемешивания генетических горизонтов обеспечивает большую водопроницаемость почвы, повышает ее микробиологическую активность и интенсивность «дыхания», создает глубинные запасы влаги. Фрезерование способствует усилению в почве процессов нитрификации, создавая благоприятные условия для минерального питания выращиваемых культур. Собственно технологический процесс резания почвы рабочими органами фрезерных машин заключается в отделении от массива почвенной стружки и отбрасывании ее в сторону вращения фрезбарабана, как это показано на рис. 1.1.
Ротационные МПМ являются основными машинами для выполнения ряда технологических операций. Из рекомендаций на базовые машинные технологические операции в растениеводстве [4, 17, 31, 41, 44, 67, 135] нами были выбраны за исходные требования по применению фрезерных почвообрабатывающих машин те, которые нельзя обеспечить другими машинами с сохранением высокого качества обработки почвы. Мы сгруппировали их по основным блокам, расширив их содержание, с учетом разнообразия технологических операций. Наиболее важными для нас являются те разделы требований, которые определяют технологические, конструктивные и кинематические параметры ротационных почвообрабатывающих машин (ПМ) и рабочих органов, являющихся исходными по их разработке и совершенствованию.
Нами было рассмотрено содержание следующих, наиболее близких к нашему исследованию, базовых машинных технологических операций с использованием ротационных ПМ [19, 56, 66, 81, 96, 150]: 1) предпосевное фрезерование почвы; 2) совмещение послойного рыхления и предпосевного фрезерования почвы с измельчением растительных остатков, выравнивания и уплотнения почвы; 3) фрезерная обработка задернелых почв кормовых угодий; 4) формирование (нарезка) гряд под посадку картофеля; 5) междурядная обработка гребневых посадок картофеля активными рабочими органами. Технологические операции со схемами их реализации представлены в табл.1. 1. Все эти операции применимы для малогабаритных почвообрабатывающих машин. В нашем случае наиболее предпочтительной будет являться операция «Предпосевное фрезерование почвы», т. к. при ее реализации качественно подготавливается почва под посев мелкосеменных культур (овощных и трав), включая участки с закрытым грунтом.
Первые исследования фрезерных почвообрабатывающих машин относятся к 20-м годам прошлого века. Наиболее глубокие исследования таких машин и фрезерной обработки луго-болотных почв проводил, начиная с 1925 г., профессор А. Д. Далин. В своих работах [53, 56] он приводит сведения, включающие существующие конструкции зарубежных фрез, подробно останавливается на главных этапах разработки первых отечественных болотных фрез. В. В. Куликов [64, 65], примерно в это же время обстоятельно анализирует опыт изготовления первых отечественных фрез марки ВИМ, разбирая их достоинства и недостатки.
На начальном этапе оценка работы фрез проводилась на основе агрономических данных. Только при разработке фрезы ФБ–1,9 инженером И. В. Павловым было проведено экспериментальное исследование по определению сил, действующих на рабочие органы, потребной мощности и характера воздействия фрезы на обрабатываемую почву [130].
Динамический анализ работы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
Таким образом, в процессе проведенного аналитического исследования разработаны математические модели и получены передаточные функции для непосредственно фрезбарабана и для ходовых колес СМПФА, для случая переходного процесса, описываемого тремя экспонентами. Полученные математические модели в линейном приближении в некоторой ограниченной области характеризуют динамические свойства рабочих органов. Их можно использовать при расчете систем регулирования загрузки и рассчитывать такие конструктивные параметры рабочих органов, при которых внешние возмущения вызывают лишь незначительные нарушения технологического процесса, выполняемого СМПФА.
Анализ курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
Под курсовой устойчивостью СМПФ мы будем понимать свойство фрезы двигаться без корректирующих воздействий со стороны оператора, для определения которой В. Ф. Купряшкиным [75, 81] обоснованы и определены следующие условия: 1) условие устойчивости при отсутствии буксования, 2) условие отсутствия самопроизвольного перекатывания СМПФА, 3) условие курсовой устойчивости в продольно-вертикальной плоскости при качании СМПФА относительно оси ходовых колес. Ниже проанализируем влияние этих факторов на курсовую устойчивость фрезы с адаптивным регулированием режимов работы и учетом особенностей ее конструкции.
Анализ курсовой устойчивости самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы в продольно-вертикальной плоскости
Как было отмечено выше, условием равномерного поступательного движения СМПФА является во-первых, отсутствие буксования ходовых колес относительно почвы, и во-вторых, - отсутствие самопроизвольного перекатывания СМПФА под действием силы [81]. В связи с этим вначале рассмотрим анализ курсовой устойчивости фрезы в продольно-вертикальной плоскости при условии отсутствия буксования ходовых колес. Для этого составим уравнения равновесия системы сил, действующих на фрезу, представленной на рис. 2.4.
Для предлагаемой нами конструкции СМПФА условие устойчивости при отсутствии буксования будет иметь вид: K+FTX Ff, FoK Fрез 0, (2.8) где Fx - подталкивающая сила на фрезбарабане, Н; FTK - сила тяги на ходовых колесах, Н;Ffs - сила трения опорного полозка с почвой, Н; FCK - сила сопротивления перекатыванию ходовых колес, Н, Fрез - усилие резания сканера, Н. Рисунок 2.4 – Силы, действующие на СМПФА в продольно-вертикальной плоскости
Сила тяги на ходовых колесах Fтк , сила трения опорного полозка с почвойFfя , сила сопротивления перекатыванию ходовых колесFск наиболее подробно были описаны в работах В. Ф. Купряшкина [81], воспользуемся этими зависимостями: Для определения усилия резания сканера воспользуемся рекомендациями А. Д. Далина [1.2], в которых Fрез определяется по формуле: F=10 [l + /1 ctg-, (2.12) рез 2у где р - удельное сопротивление резанию, МПа; h - глубина резания сканера, м; Ъ– ширина сканера; м, /І - коэффициент трения сканера с почвой; /? - угол заточки сканера, град.
Это усилие резания разложим на две составляющие: горизонтальную и вертикальную, но так как сканер расположен вертикально, то Fpze3 =0.
Оптимальный угол заточки сканера ft был определен в ранее выполненной работе [3.2], принимаем его равным 30.
Как известно, А. Н. Зенин [64, 151] установил, что при резании связанных и пластичных грунтов перед режущим профилем образуется уплотненное ядро из обрабатываемого материала и в дальнейшем резание осуществляется не лезвием, а этим ядром. Необходимая ширина лезвия 3 определяется хордой погружения ядра уплотнения, которая равна: 8=2-г sirup, (2.13) где г - радиус кривизны ядра уплотнения лезвия рыхлительного зуба, м; ср– угол трения почвы по стали, град.
Таким образом, последняя формула устанавливает связь между шириной сканера Ъ и радиусом кривизны ядра уплотнения лезвия сканера г. Расчетами установлено, что при остром, неизношенном лезвии, ширина сканера должна быть Ъ = 0,02 м.
Далиным А. Д. [53] были проведены опыты с обычными симметричными ножами различных сечений (треугольного, прямоугольного с заточкой кромки и без заточки кромки) (рис. 2.6).
Как видно из графиков, с увеличением угла заточки ножа ff увеличивается удельное сопротивление резанию р и сфера действия S/, которая характеризуется появлением раковин скалывания и увеличивающимися видимыми сверху трещинами. При этом во всех не переувлажненных грунтах перед вертикальными ножами с углом заострения fP = 90 образовалось уплотненное ядро, которое передвигалось вместе с ножом.
Методика обработки экспериментальных данных
Анализ зависимости удельной энергоемкости фрезерования почвы Eуд от подачи от твердости почвы S (рис. 4.9) показывает ее рост, происходящий по выпуклой кривой, причем выпуклость кривой уменьшается с ростом твердости почвы. В интервале твердостей от 0,25 до 0,95 МПа наблюдается более интенсивное увеличение энергоемкости, чем на участке с твердостью почвы более 0,95 МПа. Это объясняется увеличением мощности рис. 4.8 на резание почвы и увеличением подталкивающей силы, в связи с этим уменьшается мощность на перекатывание машины. Из рис. 4.9 следует также, что энергоемкость фрезерования более значительная на небольших подачах и уменьшается при более высоких, что свидетельствует о чрезмерном перемешивании почвы и больших энергозатратах на малых подачах.
При этом увеличение энергоемкости при твердости 1,65 МПа превышает энергоемкость при твердости 0,25 МПа при глубине h=0,06м в 1,6 раза; при h=0,13м – в 2,9 раза; при h=0,20м – в 1,7 раза.
Это свидетельствует о том, что рост энергоемкости при фрезеровании почвы менее интенсивен, чем рост твердости почвы, которая увеличивается в 6,6 раза.
Кроме этого из полученных данных следует, что в интервале подач от 0,03 до 0,05 м при глубине h=0,06м выгоднее работать на низких подачах, так как снижение энергоемкости фрезерования в этом случае составляет 30 %; при h=0,13м и h=0,20м – на высоких подачах, где снижение соответственно 20 % и 25 %. В интервале подач от 0,05 до 0,11 м при глубине h=0,06м выгоднее работать на низких подачах, так как снижение энергоемкости фрезерования в этом случае составляет 50 %; при h=0,13м и h=0,20м – на высоких подачах, где снижение соответственно10 % и 14 %.
Из анализа зависимости удельной энергоемкости фрезерования почвы Eуд от подачи на нож S (рис. 4.9) следует, что при глубине h=0,06 м удельная энергоемкость растт по вогнутой кривой. Причем интенсивность роста увеличивается с повышением твердости почвы. Увеличение энергоемкости составляет от 17 до 25% при твердости почвы от 0,25 до 0,95 МПа и 62 – 87% при твердости почвы от 0,95 до 1,65 МПа. На глубинах h=0,13 м и h=0,20 м удельная энергоемкость снижается по вогнутой кривой на участке подач от 0,03 до 0,07 – 0,09 м. Причем интенсивность снижения увеличивается с ростом твердости почвы. Снижение энергоемкости составляет от 27 до 36% при твердости почвы от 0,25 до 0,95 МПа и 21 – 22% при твердости почвы от 0,95 до 1,65 МПа.
Такой характер изменения энергоемкости подтверждается ранее проведенными исследованиями [33, 75, 81, 89, 139].
Однако при работе СМПФА с подачами выше 0,07 – 0,09 м наблюдается незначительный рост энергоемкости по отношении к минимальным ее значениям, и который составляет до 15 % при твердости почвы 0,25 МПа, до 3 % при твердости 0,6 до 1,3 МПа и до 9 % при твердости почвы от 1,65 МПа. Это связано с более интенсивным ростом затрачиваемой мощности на отрезание стружки.
Кроме этого из рис. 4.9 следует, что наиболее выгодным режимами работы СМПФА с точки зрения наименьшей энергоемкости являются подачи в интервале: при глубине h=0,06 м – от 0,03 до 0,07 м; при h=0,13 м – от 0,05 до 0,09 м и h=0,20 м – от 0,07 до 0,11 м.
Для более точной оценки энергоемкости процесса обработки почвы фрезерованием необходимо провести оптимизационные расчеты в сопоставлении с результатами анализа курсовой устойчивости СМПФА в продольно-вертикальной плоскости по ходу ее движения.
Исследование энергоемкости обработки почвы самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезой с адаптивным регулированием режима работы Для исследования энергомкости обработки почвы СМПФА воспользуемся зависимостями (4.45), (4.47), (4.49). Для этого подставим в них значения величин подач S и твердости р и оценим, при каких сочетаниях этих параметров значения удельной энергоемкости будут минимальными. По результатам этих исследований были построены графические зависимости оптимальных (минимальных) значений удельной энергоемкости фрезерования почвы Еуя при различных глубинах обработки (рисунок 4.10). 18 12 6 0
Полученные графики описываются с достаточно высокой степенью точности полиномом третьего порядка. Из графиков следует, что при глубине /7=0,06 м удельная энергоемкость увеличивается с 1,532-10 3 кВтч/м3 при твердости почвы 0,25 МПа до максимального значения 10,451-Ю-3 кВтч/м3 при твердости 1,1 МПа, а затем снижается до величины 9,23 10 3 кВтч/м3, что соответствует твердости 1,65 Мпа; при /7=0,13 м - энергоемкость увеличивается с 3,332-10"3 кВтч/м3 при твердости почвы 0,25 МПа до максимального значения 13,124-Ю-3 кВтч/м3 при твердости 1,3 МПа, а затем снижается до 9,091 10"3 кВтч/м3 при твердости 1,65 Мпа; при глубине /7=0,20 м удельная энергоемкость постоянно увеличивается с 5,898-10 3 кВтч/м3 при твердости почвы 0,25 МПа до максимального значения 13,5110"3 кВтч/м3 при 1,65 Мпа.
Таким образом, на участке возрастания при различных глубинах обработки почвы (h=0,06м; 0,13м; 0,20м) удельная энергоемкость увеличивается в 6,8; 3,9 и 2,3 раза соответственно, при росте твердости почвы в 4,4; 5,2 и 6,6 раза, что говорит о практически пропорциональном увеличении удельной энергоемкости от твердости почвы. Кроме этого полученные результаты позволяют построить графическую зависимость допустимых значений подачи на нож S от твердости почвы p при оптимальных (минимальных) значениях удельной энергоемкости фрезерования почвы Eуд с обеспечением условия отсутствия самопроизвольного перекатывания СМПФА и характеризующим в целом обеспечение ее курсовой устойчивости в продольно-вертикальной плоскости (рисунок 4.11). Полученная графическая зависимость 1 (ABC) позволяет скорректировать область допустимых подач, полученную в п 4.1.2 и ограниченную зависимостью 2 (рисунки 4.9 и 4.10).
Из рисунка 4.11 следует, что эксплуатации СМПФА должна осуществляться для глубины h=0,06 м с подачами определяемой зависимостью 1, то есть на участке с твердостью почвы от 0,25 до 1,65 Мпа, с подачами от 0,075 до 0,03 м; для глубины h=0,13 м – на участке с твердостью почвы от 0,25 до 0,5 Мпа, с подачами от 0,068 до 0,085 м, на участке от 0,5 до 1,4 МПа с подачами от 0,085 до 0,055 м и на участке от 1,4 до 1,65 МПа с подачами от 0,055 до 0,03 м; для глубины h=0,20 м – на участке твердости почвы от 0,25 до 1,65 МПа с подачами от 0,11 до 0,03 м. Таким образом, соблюдение этого условия позволит оптимизировать функционирование СМПФ с точки зрения наименьших значений энергоемкости процесса обработки почвы.
Опираясь на полученные результаты (рисунок 4.11), построим графическую зависимость расчетной часовой производительности функционирования СМПФА, характер которой идентичен характеру зависимости 1 подачи на нож от твердости почвы (рисунок 4.12). Из рисунка
Описание конструкции предлагаемой самоходной малогабаритной почвообрабатывающей фрезы с адаптивным регулированием режимов работы
Получены расчетные зависимости требуемой мощности и энергоемкости фрезерования в зависимости от режима работы СМПФА со сканером твердости почвы, ее массовых и геометрических характеристик, твердости почвы и глубины обработки при соблюдении технологического процесса обработки почвы. В результате расчетов установлено, что рост энергоемкости фрезерования почвы с твердостью от 0,25 до 1,65 Мпа, при подачах от 0,03 до 0,11 м и глубине //=0,06м в среднем составляет 12,9310–3 кВтч/м3; при А=0,13м - 10,44-10–3 кВтч/м3; при //=0,20м - 13,54-10–3 кВтч/м3. При этом увеличение энергоемкости при твердости почвы /7=1,65 МПа превышает энергоемкость при твердости 0,25 Мпа, при глубине /7=0,06м в 1,6 раза; при /7=0,13м - в 2,9 раза; при //=0,20м - в 1,7 раза. Это свидетельствует о том, что интенсивность роста энергоемкости при фрезеровании почвы меньше интенсивности роста твердости почвы, который составляет 6,6 раза. Также установлено, что в интервале подач от 0,03 до 0,05 м при глубине //=0,06м выгоднее работать на низких подачах, так как снижение энергоемкости фрезерования в этом случае составляет 30 %; при /7=0,13м и /7=0,20м - на высоких подачах, при которых наблюдается снижение энергоемкости соответственно на 20 % и 25 %. В интервале подач от 0,05 до 0,11 м при глубине //=0,06м выгоднее работать на низких подачах, так как снижение энергоемкости фрезерования в этом случае составляет 50%; при /7=0,13м и //=0,20м - на высоких подачах, где снижение соответственно 10% и 14 %. Из анализа зависимости удельной энергоемкости фрезерования почвы Еуд от подачи на нож S следует, снижение энергоемкости составляет от 27 до 36 % на участках с твердостью почвы от 0,25 до 0,95 МПа и 21 - 22 % с твердостью почвы от 0,95 до 1,65 МПа.
Полученные результаты оптимизации позволили скорректировать ранее выделенную область возможных допустимых подач, из которых следует, что эксплуатации СМПФА со сканером твердости почвы должна происходить: а) для глубины /7=0,06 м на участках с твердостью почвы от 0,25 до 1,65 МПа с подачами от 0,075 до 0,03 м; б) для глубины /7=0,13 м - с твердостью почвы от 0,25 до 0,5 МПа с подачами от 0,068 до 0,085 м, на участке от 0,5 до 1,4 МПа с подачами от 0,085 до 0,055 м и на участке с плотностью от 1,4 до 1,65 МПа с подачами от 0,055 до 0,03 м; в) для глубины /7=0,20 м - на участке с твердостью почвы от 0,25 до 1,65 МПа с подачами от 0,11 до 0,03 м.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложена конструкция СМПФА (патент РФ на изобретения № 2340134 «Почвообрабатывающая фреза»), обеспечивающая адаптивное регулирование технологических параметров, а именно подачи на нож S за счет изменения поступательной скорости движения. Изготовлен опытный образец предлагаемой фрезы, с блоком управления работой двигателя привода ходовых колес. Теоретически обоснован, спроектирован и изготовлен блок управления, который реализован на современной элементной базе.
Проведены полевые испытания опытного образца СМПФА в условиях открытого грунта на КФХ «Елисеев А. Н.» Ромодановского района РМ, в результате которых установлено, что: а) при глубине обработки /?=0,06м с увеличением подачи с 0,03 до 0,074 м мощность увеличивается в 2,1 раза с 0,89 до 1,89 кВт, а удельная энергоемкость фрезерования почвы снижается с 10,2810-3 до 6,3510-3 кВтч/м3, что составляет 3,3,93 10-3 кВтч/м3 или 38 %; б) при /7=0,13м - мощность увеличивается в 1,8 раза с 1,43 до 2,57 кВт, а энергоемкость снижается с 13,5510-3 до 9,4310-3 кВтч/м3, что составляет 4,1210"3 кВтч/м3 или 30 %; в) при /7=0,20м - мощность увеличивается в 1,7 раза с 1,93 до 3,32 кВт, а энергоемкость снижается с 20,15-10"3 до 15,47-10"3 кВтч/м3, что составляет 4,6810-3 кВтч/м3 или 23 %. 10. В ходе проведения полевых испытаний для условий открытого грунта произведена агротехническая оценка обработки почвы. В результате было 168 установлено, что после обработки почвы с подачами от 0,03 до 0,74 м она состоит в основном из агротехнически ценных фракций размером от 1 до 10 мм. Объем данных фракций составляет на различных подачах и глубинах обработки больше 50 % от общего его значения, что не снижает качество обработки почвы. С увеличением подачи в указанном диапазоне наблюдается снижение эрозионно-опасных частиц почвы, что благоприятно сказывается на устойчивости обработанной почвы к возможной ее эрозии.