Введение к работе
Актуальность работы. В Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г. ведущее место отводится инновационной модернизации отрасли, способствующей ускорению развития отечественного агрокомплекса.
В повышении эффективности сельскохозяйственного производства определяющую роль играет химизация. Высокий её уровень предусматривает широкое применение техники для внесения минеральных удобрений и химических средств защиты растений от болезней и вредителей.
Разнообразием почвенно-климатических условий и сельскохозяйственных культур в России обусловлено, что большой процент работ выполняется на почвах с низкой несущей способностью, которые составляют 11,2 млн га пахотной площади земель в России. Однако применяемые технические средства в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур предназначены для эксплуатации на почвах с высокой несущей способностью, влажностью 20-25%. Особую сложность представляют технологические операции при работе агрегатов в ранний весенний и поздний осенний периоды. В ряде случаев движение машин по полю в это время становится невозможным. Для получения высоких урожаев операции по внесению минеральных удобрений должны производиться в строго заданные агротехнические сроки, согласно микрофазам роста растений, а не тогда, когда сроки упущены и почва имеет низкую влажность. Многие технологические процессы в этот период не выполняются в заданные сроки из-за отсутствия технических средств, обеспечивающих выполнение операции на этих типах почв.
Эффективным путем повышения агротехнической проходимости агрегатов и обеспечения выполнения операций на почвах с низкой несущей способностью является применение мобильных энергетических средств (МЭС), оборудованных шинами сверхнизкого давления. Поэтому исследования, направленные на разработку принципиально новых мобильных средств, совершенствование их ходовых систем, актуальны и имеют важное народно-хозяйственное значение.
Исследования проходимости МЭС с колесными движителями выполнялись в основном для шин низкого давления, а режимы движения на высокоэластичных движителях с внутренним давлением воздуха 5-40 кПа требуют уточнения ряда положений, в том числе в области взаимодействия колесного движителя с почвенно-растительным покровом. Разработка единой обобщенной теории движения МЭС, оборудованных экологически безопасным колесным движителем, с выше указанным давлением воздуха, и экспериментальное подтверждение этой теории позволят обосновать рациональные параметры таких движителей и целесообразность их применения на МЭС при внесении минеральных удобрений и обработке пестицидами возделываемых сельскохозяйственных культур.
Цель работы: разработать мобильное энергетическое средство, оборудованное шинами сверхнизкого давления, для реализации агротехнологий на почвах с низкой несущей способностью.
Для достижения цели работы сформулированы и решены следующие задачи исследований:
-
Обосновать эксплуатационные требования, предъявляемые к сельскохозяйственным энегосредствам, предназначенным для эксплуатации на почвах с низкой несущей способностью и растительном покрове.
-
Разработать математическую модель взаимодействия шин сверхнизкого давления с почвенно-растительным покровом, методику выбора рациональных параметров и режимы их работы, обеспечивающие заданные эксплуатационные требования.
-
Разработать математическую модель исследования плавности хода энергосредства на шинах сверхнизкого давления при различном характере возмущающих воздействий. Обосновать параметры ходовой части энергосредства. Провести исследования по оценке плавности хода МЭС, оборудованного средствами химизации.
-
Оценить влияние параметров шин сверхнизкого давления на агротехническую проходимость энергосредства, экологическую совместимость с окружающей средой, качество выполняемого технологического процесса, а также плавность хода.
5. Провести расчетно-экспериментальную оценку тягово-сцепных
свойств, определить базовые параметры шин сверхнизкого давления и парамет
ры протектора, разработать рекомендации по конструктивному совершенство
ванию этого класса шин, позволяющие повысить их эксплуатационную эффек
тивность.
-
Разработать МЭС на шинах сверхнизкого давления, предложить технические решения, дающие возможность повысить технологический уровень, провести их производственные испытания и оценить эффективность применения в агротехнологиях.
-
Усовершенствовать технологию возделывания сельскохозяйственных культур путем применения в комплексе машин МЭС, на шинах сверхнизкого давления, провести ее апробацию и технико-экономическую оценку.
Научную новизну исследований представляют:
-
Методология создания МЭС на шинах сверхнизкого давления, отличающаяся системным подходом на основе применения транспортно-технологической концепции, учитывающая свойства опорной поверхности, интенсивность изменения нагрузок со стороны движителей, а так же конструктивные особенности в соответствии с основными критериями, определяющими их эксплуатационные свойства в специфических условиях на почвах с низкой несущей способностью.
-
Математическая модель взаимодействия шин сверхнизкого давления с почвенно-растительным покровом, на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом физико-механических характеристик высоко-
эластичных шин, упруго - пластических свойств почвы и растительного покрова, на базе которой разработана методика позволяющая, выбирать рациональные параметры шин.
-
Математическая модель МЭС для исследования плавности хода и динамической нагруженности при движении по почвенно-растительному покрову, отличающаяся учетом динамических свойств навесного оборудования, упругих свойства почвы, сглаживающую способность шин. Позволяющая выбирать параметров ходовой части и компоновку МЭС, параметры навесного оборудования, режимы эксплуатации на стадии создания, обеспечивающие агротехническую проходимость и плавность хода.
-
Базовые, тяговые и нагрузочные характеристики шин сверхнизкого давления и параметры протектора, аналитические зависимости для их расчета, технические решения по совершенствованию и рекомендации по выбору режимов работы.
Объектом исследований являлись. Мобильные энергетические средства, оборудованные экологически безопасными колесными движителями на шинах сверхнизкого давления.
Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности функционирования МЭС на шинах сверхнизкого давления при осуществлении технологических процессов на почвах с низкой несущей способностью
Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования базировались на применении методов системного подхода, численных методов решения дифференциальных уравнений и методов математического моделирования, теории вероятностей, теоретической механики и оптимального проектирования.
Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях и на лабораторных стендах с использованием современных измерительных средств.
Основные положения, выносимые на защиту: На защиту выносятся основные положения представляющие новизну и практическую ценность.
Достоверность результатов. Адекватность математической модели движения МЭС по агрофонам подтверждена сравнением результатов расчета и натурного эксперимента. Проведенные комплексные экспериментальные исследования МЭС подтвердили основные теоретические положения.
Для оценки достоверности годовой загрузки МЭС при внесении минеральных удобрений и пестицидов, производственные испытания проводились в течение 12 сезонов, с 2000 по 2012 гг., в различных регионах России (Воронежской, Тамбовской, Калужской, Липецкой, Орловской, Ростовской, Белгородской областях, а также Ставропольском, Краснодарском и Алтайском краях и Республике Адыгея). Урожайность усовершенствованной ресурсосберегающей технологии оценивалась в течение трех сезонов в двух областях - Воронежской и Белгородской. На первом этапе сравнение с базовой технологией производилось на одном поле, на втором этапе сравнение производилось со средней урожайностью по хозяйству.
Достоверность результатов исследований подтверждена данными производственных испытаний и положительным опытом внедрения усовершенствованной ресурсосберегающей технологии.
Практическая ценность. Математические модели динамики МЭС и программы их расчета, позволяющие выбирать рациональные параметры и определить пути их совершенствования. По результатам исследований разработаны МЭС для внесения удобрений и пестицидов, а также средства для доставки удобрений на поля, освоено их производство.
Рекомендации по выбору конструктивно-технологических параметров МЭС, соотношений между параметрами жесткости шины и подвески, а также параметрами подвесок мостов, сиденья оператора позволяют проводить оценку их эксплуатационных свойств, что дает возможность прогнозировать улучшение показателей функционирования МЭС в специфических условиях.
Базовые характеристики сельскохозяйственных шин сверхнизкого давления, позволяющие на стадии проектирования выбирать их рациональные параметры, обеспечивающие агротехническую проходимость. Применение разработанного протектора и математические зависимости для определения параметров позволяют не только повысить сцепные свойства движителя, но и снизить отрицательное воздействие на почвенно-растительный покров.
Рекомендации по выбору режимов работы и годовой загрузки МЭС, позволяющие рассчитывать рациональные эксплуатационно-технические показатели.
Усовершенствованная технология возделывания сельскохозяйственных культур с использованием в комплексе машин МЭС на шинах сверхнизкого давления позволяющая снизить влияние почвенно-климатических условий и повысить на 20-30% урожайность выращиваемых культур.
Внедрение результатов исследований, разработок и рекомендаций:
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором, было разработано и под его руководством создано транс-портно-технологическое средство ТТС-70 на шинах сверхнизкого давления, разработана конструкторская и технологическая документация. Производство первой партии освоено на Воронежском авиационном заводе, изготовлено 22 ед. ТТС-70.
-
На основе модернизации ТТС-70, автором было разработано и под его руководством создано универсальное технологическое энергетическое средство УТЭС-271, оригинальность внешнего вида средства защищена патентом на промышленный образец. После прохождения сертификационных испытаний производство УТЭС-271 было реализовано на ООО НПФ «Белагроспецмаш» (в настоящее время произведено 26 ед.).
-
Для доставки удобрений на поля под руководством автора создано мобильное энергетическое средство на широкопрофильных шинах низкого давления МЭС-90СХ, оригинальность внешнего вида средства защищена патентом на промышленный образец. После прохождения сертификационных и заво-
дских испытаний для освоения производства материалы и документация по МЭС-90СХ переданы на ООО НПФ «Севэкотранс».
-
Рекомендации по применению совершенствованной технологии внедрены в сельскохозяйственных предприятиях: ООО «ЮПИ» Воронежской обл.; ООО «Русагро-Инвест» Белгородской обл.
-
Результаты экспериментально-теоретических исследований и методики выбора параметров энергетических средств и экологически безопасных колесных движителей также используются в учебном процессе на кафедре «Автомобилей и сервиса» Воронежской государственной лесотехнической академии.
Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на научных конференциях профессорско-преподавательского состава академии и других вузов - на Всероссийской научно-технической конференции: «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (Воронеж, 1998 г.); на международных научно-практических конференциях: «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998 г.), «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (Санкт-Петербург, 1999 г.), на Всероссийской научно-практической конференции: «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж, 1999 г.), на международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Воронеж 2000 г.); на 4-й международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж 2001 г.); на техническом совещании «Транспортно-технологическое средство на шинах сверхнизкого давления как технология XXI века» в ГОСНИТИ под председательством акад. Черноиванова В.И. (Москва, 2003 г.); на 2-й международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (ВИМ, Москва, 2003 г.); на 3-й международной научно-практической конференции «Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства» (ВИМ, Москва, 2004 г.); на 8-й международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2005 г.); на конференции «Инновационное развитие как доминантное условие модернизации экономики» (в Российской академии государственной службы при президенте РФ, Воронеж, 2011 г.); на международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и техника нового поколения - основа модернизации сельского хозяйства» (ВИМ, Москва, 2011 г.); на международной научно-технической конференции «Система технологий и машин для инновационного развития АПК России» (ВИМ, Москва, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 научных статей в журналах и изданиях, из них 17 в изданиях рекомендованных ВАК, изданы монография и учебное пособие с грифом УМО, получено 2 патента на промышленный объект, 2 патент на изобретение, 18 патентов на полезную модель и зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов и приложений. Диссертация изложена на 346 страницах текста, содержит 185 рисунков, 47 таблиц и список использованных источников - 269 наименований.
