Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 8
1.1 Способы снижения вредного воздействия движителей на почву 8
1 1.2 Влияние режимов буксования ведущих колес трактора на почву 18
1..3 Критерии оценки допустимой величины буксования ведущих колес трактора 28
1.4 Уравнения связи работы колесного движителя с почвой в процессе буксования 35
1.5 Цель и задачи исследования 44
2. Теоретические исследования 46
2.1 Особенности воздействия ведущего колеса на почву в процессе буксования 46
2.2 Динамика уплотнения почвы в процессе буксования 58
CLASS 3. Программа и методика экспериментальных исследований 7 CLASS 0
3.1 Программа экспериментальных исследований 70
X 3.2 Методика лабораторно-полевых исследований 71
3.3 Методика эксплуатационных исследований 80
4 3.4 Планирование эксперимента при оптимизации режимов буксования ведущих колес трактора 81
3.5 Методика обработки экспериментальных данных 86
3.6 Оценка погрешности измерений и математическая обработка результатов испытаний 90
CLASS 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 9 CLASS 4
4.1 Уплотняющее воздействие буксования ведущих колес трактора при изменении совокупности факторов 94
4.2 Определение области допустимых значений буксования обеспечивающих минимальное воздействие движителей на почву 105
4.3 Исследование вредного воздействия тракторов на почву в процессе эксплуатации с различными режимами буксования 122
4.4 Исследование влияния режимов буксования на агротемшчггкиг-показатели, рост и развитие растений 139
4.5 Разработка номограммы для определения оптимальных режимов буксования 145
5. эколого-экономическая оценка работы мта с оптимальными режимами буксования 148
Выводы и предложения 156
Список литературы 158
Приложения 172
- Способы снижения вредного воздействия движителей на почву
- Особенности воздействия ведущего колеса на почву в процессе буксования
- Программа экспериментальных исследований
- Уплотняющее воздействие буксования ведущих колес трактора при изменении совокупности факторов
Введение к работе
Основной объем работ в сельскохозяйственном производстве приходится на колесные тракторы и сельхозмашины. Их эффективное использование и реализация заложенных в них возможностей во многом определяются параметрами ходовой системы, в частности, характеристиками движителей. Одной из основных проблем, возникающих в процессе их эксплуатации является повышенное уплотняющее и разрушающее воздействие на почву вследствие чрезмерного давления и пробуксовывания.
Особенно остро эта проблема стоит для перспективной
БЬІі^иКОІірОИ^ЬОДнТсЛЬНОІі lOXHHKH, КОТОруЮ ОТЛИЧаеТ ВОЗраСюЮЩСо Зч СЧЄ'1 боЛЫхшл массовых и мошностных параметров силовое воздействие на почву.
Ведущими институтами (НАТИ, ВИМ и др.) сделаны серьезные разработки в направлении снижения вредного воздействия ходовых систем на почву. Накоплено большое количество экспериментальных данных о показателях тягово-сцепных свойств колесных и гусеничных машин в различных почвенных условиях, а так же об уплотнении и распылении почв при работе машинно-тракторных агрегатов (МТА). Однако, это пока не стало основой теории, объясняющей опыт и позволяющий прогнозировать показатели взаимодействия ходовых систем с почвой и определять пути улучшения этих показателей, в частности, в процессе буксования движителей тракторов.
Анализ данных о путях снижения вредного воздействия машинно-тракторных агрегатов на почву показал, что в их основе лежит совершенствование ходовых систем. Недостаточное внимание при этом уделяется оптимизации режимов работы Ml Л. обеспечивающие минимальное буксование ведущих колес трактора. При взаимодействии буксующего движителя трактора с почвой последняя подвергается смешению и сдвигу в различных направлениях, а также выносу из зоны контакта, что является причиной дополнительного погружения колеса в почву и сё уплотнения.
Проблема оптимизации буксования ведущих колес трактора с целью снижения его вредного воздействия на почву приобретает особую актуальность в условиях Среднего Поволжья для тяжелых черноземных почв с высоким и средним содержанием гумуса. Проблема усугубляется отсутствием точных рекомендаций относительно значений качественных агротехнических показателей изменения согтоянмя укачанного типа почв от тешлтшя пуктдлоиіего копоса
Уменьшение воздействия движителей машин на почву требует обоснования пределов давления и буксования движителей.
Максимально-допустимое буксование определяют по нескольким критериям -тягово-сцепным качествам, энергетическим затратам на буксование и качественными показателями почвы. Допустимые значения по указанным критериям различны, поэтому выбор оптимального буксования трактора достаточно сложная задача, не имеющая однозначного решения и требующая изучения взаимодействия движителей с почвой для тракторов различных типов, выполняющих различные работы.
Цель настоящих исследований состояла в повышении эффективности использования машинотракторных агрегатов с точки зрения уменьшения отрицательного влияния движителей на почву. При этом особое внимание уделяется изучению процесса буксования и определению его оптимальной величины, при котором вредное воздействие ведущих колес наименьшее.
Способы снижения вредного воздействия движителей на почву
Ходовой аппарат сельскохозяйственного трактора должен обеспечивать минимальное уплотнение и разрушение почвы, поэтому к его движителям предъявляют особые требования.
Исследованиями ведущих институтов страны (Почвенного института им. В.В. Докучаева. ВИМ, НАТИ и др.) установлено, что при выполнении полевых работ машинно-тракторными агрегатами ходовые системы оказывают вредное влияние на почву (рис.1.1) [1,2.3]. Негативные последствия вредного воздействия ходовых систем на почву характеризуются следующими данными [4, 5]: - средняя урожайность сельскохозяйственных культур сокращается на 15...25%; - после работы колесного трактора наполе 1 га остается 14... 15 тпыли; - ежегодно с полей уносится до 1,5 млрд. т. почвы; -удельное сопротивление почвы из-за переуплотнения увеличивается в 1,5...1,8 раза, что приводит к повышению затрат на обработку на 20...30% и увеличению расхода топлива на 18%. \ Накоплен обширный экспериментальный материал по уплотняющему воздействию колесных и гусеничных тракторов на почву, а также влияние уплотнения на урожайность сельскохозяйственных культур [6... 10]. На основании
Сущность вредного воздействия движителей на почву и его последствия этих данных намечены основные направления совершенствования машинно-тракторных агрегатов и систем обработки почвы (рис. 1.2.).
Радикальное решение проблемы снижения вредного воздействия - применение машин и агрегатов не воздействующие или незначительно влияющие на почву (мостовое земледелие, сельскохозяйственная авиация, аппараты на воздушной подушке). Однако, в связи с дороговизной вышеуказанных мероприятий, наиболее перспективным является улучшение показателей взаимодействия колес с почвой, так как это неизбежно связано с повышением тягово-сцепных качеств тракторов [4, 125, 126].
Наиболее распространенные критерии оценки уплотняющего воздействия движителей на почву - среднее и максимальное контактные давления колес. Однако установлено, что уплотнение почвы зависит не только от этих величин [2]. Значительное влияние оказывают так же направление и скорость силового воздействия. Поэтому, более достоверные данные о влиянии колеса можно получить из анализа изменения агрофизических свойств почвы. Предпринимаются попытки найти комплексный показатель вредного воздействия ходовых систем на почву [11,12]. В настоящее время предложено четыре группы критериев [13,127] это -плотность сложения, твердость и степень крошения почвы, урожайность сельскохозяйственных культур.
По данным [14] наиболее полное решение проблемы уплотнения почвы возможно в результате разработки принципиально новых конструкций ходовых устройств мобильных сельскохозяйственных машин с пониженным удельным давлением и разработки принципиально новых технологий механической обработки, исключающих уплотнение почвы. Так, например, ученые Украинского НИИМЭСХ
Пуги и епосооы снижения вредного воздействия ходовых систем па ПОЧВ) разработали и исследовали пневмогусеницу на трактор ДТ-75ПГД (известный в литературе как трактор ДТ-75 "Руслан"). Оказалось, что её применение позволит исключить пиковые давления на почву, характерные для металлогусеничных и колесных устройств, тем самым значительно снизить уплотнение почвы. Снижение урожайности ячменя по следу ходовых систем тракторов в сравнении с урожайностью по следу трактора ДТ-75ПГД составило: для МТЗ-80 - 5,6 ц/га и К-701 - до 8,4 ц/га.
Учитывая то, что однократный проход трактора создаст уплотнение, достигающее 80% от плотности почвы возникающей при 5-Ю кратном проходе, рекомендуется обработку почвы проводить по постоянной колее, а для ликвидации уплотнения почвы в зоне колеи проводить подпочвенное рыхление. Таь:, четырехлетние опыты США [15] показали, что сочетание постоянной колеи и подпочвенного рыхления увеличило урожайность хлопчатника на 55% в сравнении с обычной технологией ухода за посевами, а применение только постоянной колеи - на 20 %.
Особенности воздействия ведущего колеса на почву в процессе буксования
Приведенный анализ математических выражений связи буксования и изменения свойств почвы показал, что данные выражения в большей степени громоздки и трудно применимые. Большинство из них не рассматривают в динамике процесс изменения буксования и свойств почвы, отличаются отсутствием универсальности и не применимы для конкретных типов почв и движителей .
На основании обзора литературы по способам снижения и методам расчетной оценки воздействия движителей на почву можно сделать следующие выводы: 1. Гї;іиилема t :.:одеік.Бия ходовых органов ipdKiopa v, грунтом осшется актуальной. Особая роль в решении данной проблемы отводится исследованию буксования ведущих колес трактора. 2. Использование большинства способов и средств снижения буксования в условиях рядового хозяйства затруднено по экономическим и технологическим причинам. Наиболее оптимальным, по нашему мнению, является совершенствование режимов работы МТА, направленное на оптимизацию режима буксования. 3. Отсутствуют данные о влиянии режимов буксования на изменение свойств почвы. Нет обоснованной оценки величины допустимого буксования по критерию вредного воздействия на почву. 4. Предложенные математические выражения по подсчету величины буксования носят эмпирический характер и не раскрывают явления взаимодействия колеса с почвой в процессе буксования. То есть отсутствует аналитическая зависимость связи режимов буксования и динамики изменения свойств почвы. Исходя НІ важности и актуальности проблемы влияния буксования на изменение свойств почвы, целью работы явилось оптимизация режимов буксования ведущих колес трактора, обеспечивающих улучшение агротехнических показателей и сохранность плодородия почвы.
Достижение поставленной пели предусматривает решение следующих задач: 1. Ра (работать теоретические основы расчета допустимого буксования ведущих колес трак гора. 2. Исследовать взаимозависимость режима работы МТА - режим буксования ведущих колес - изменение свойств почвы.
Омпеде шть об-і леть пмтима:ті.иі,і\ чмачений nvKCO! au, ред чнх колес трактора для различных состоянии почвы. 4. Исследовать воздействие движителей трактора с разными режимами буксования на агротехнические показатели, рост и развитие растений. 5. Дать жодого-жономическую оценку работы МТА с оптимальным режимом б\ксования.
Силы, действующие на ведущие колеса трактора при его движении по горизонтальной деформируемой поверхности с разными режимами буксования, показаны на рис.2.1
Действие остова трактора и сельхозмашин представлено силами Gu, Р, и ведущим моментом Мк, Воздействие колеса на почву представлено в виде вектора, показывающего направление перемещения точки обода, которое определяется величиной буксования и зависит от положения мгновенного центра вращения колеса.
Рост буксования характеризуется уменьшением радиуса качения колеса, а значит перемещением мгновенного центра его вращения и его оси. Сравнивая угол атаки почвозацепа а (угол между направлением и нормалью к поверхности контакта в этой точке) с углом среза данной почвы Р, можно судить о режиме буксования колеса.
Программа экспериментальных исследований
Лабораторно-полевые исследования проводились с целью определения оптимальных режимов буксования ведущих колес трактора Т-25А при условии их минимального воздействия тта почву при установившемся; шжениа МТА.
Объектом данных исследований был принят трактор Т-25А, в котором посредством изменения режимов работы МТА изменялись режимы буксования ведущих колес в пределах от О (холостой ход) до 30% при / р =5800 Н (свыше ftf/ =6000 Н наблюдается резкое увеличение величины буксования). Необходимый режим буксования достигался посредством изменения давления в шинах ведущих колес от 0,06 до 0,125 МПа, при рекомендованном заводом-изготовителем pw = 0,09 МПа.
Изменение буксования ведущих колес трактора обеспечивалось изменением скоростного режима работы МТА. Скорость движения МТА изменялась от 4,3 до 11,9 км/ч с учетом требований агротехники на возделывании сельскохозяйственных культур.
Регуляторная характеристика двигателя Д-21А1 представлена в приложении 2. В качестве загружающего устройства ис полью вал ся прицепной культиватор лля сплошной обработки почвы КПС-4.0. в котором посредством изменения количества рабочих секций обеспечивалась ступенчатая загрузка трактора. Использование прицепного культиватора КПС-4,0 в качестве загружающего устройства позволяет отбирать пробы непосредственно по следу трактора до прохода культиватора. Схема экспериментального трактора Т-25А с измерительной аппаратурой представлена на рис. 3.3. Для а вто мати чес ко] о измерения параметров, определяющих эксплуатационно "ппч-пппгические кячестга.ч тпяктпря и сельскохозяйственных магчин. ИСПОЛЬ, ",0? "!:: СЬ малогабаритная измерительно-регистрирующая аппаратура ЭМА-ПМ. Наличие шести аналоговых, восьми дискретных и одного временного измерительных канатов позволяет регистрировать средние за опыт величины усилия и напряжений в материалах.
Аппаратура ЭМА-ПМ работает от аккумулятора, имеет индикатор для фиксирования средней величины усилий, а также выход для подключения датчиков (рис 3.4.) . Аппаратура является микропроцессорной системой и работает под управлением программы, записанной в микросхему ППЗУ. Аналоговые каналы работают следующим образом. Изменение усилия, действующего на датчик силы, преобразуется в изменение сопротивления и выходного напряжения тензомоста. которое усиливается, преобразуется в пропорциональное изменение тока для подключения светолучевого осциллографа, и одновременно преобразуется в цифровой эквивалент. Блок-схема лабораторно-полевой установки с измерительной аппаратурой За выбранное время опыта определяется среднее значение сигнала посредством суммирования мгновенных значений, получаемых через 24 мс с последующим усреднением результатов. Вместе с этим производится счет количества импульсов, поступающих от контактных (датчики) и индуктивных (пятое колесо) первичных преобразователей за выбранное время опыта и счет собственно времени опыта. Для v определения действительной скорости движения агрегата нами было использовано путеизмерительное колесо с индуктивным датчиком. Принцип работы состоит в том, что при вращении колеса в катушке индуктивности наводится ЭДС с частотой пропорциональной частоте вращения колеса. Таким образом, на индикаторе ЭМА-ПМ после каждой серии сигналов высвечивается закодированное значение скорости. Скорость вращения ведущих колес трактора определялась по количеству сигналов от герконовых датчиков. Способ измерения основан на свойствах пластин притягивать друг к другу при воздействии на них магнитного поля, то есть пропускание электрического сигнала датчика при попадании в поле магнита (рис 3.5.). Как было отмечено выше, принцип определения усилия на крюке основан на фиксировании изменения напряжения наблюдаемое при деформации проволочных датчиков [101,..104]. Нами использовано кольцевое тяговое динамометрическое звено с мощными проволочными датчиками. В нем четыре датчика, включенные в четыре ч плеча измерительного моста, наклепанных на внутренней поверхности стального кольца (два в зоне растяжения и два в зоне стяжения) (рис.3.6.). Тарировка и проверка тензодатчиков и измерительной аппаратуры проводилась в начале и конце каждой серии экспериментов в трехкратной повторности.
Уплотняющее воздействие буксования ведущих колес трактора при изменении совокупности факторов
Целью данного этапа исследований является определение оптимальных режимов работы МТА (трактор Т-25А), обеспечивающих такой режим буксования ведущих колес, при котором их воздействие на почву будет минимально. Это позволит выработать обоснованные рекомендации загрузки МТА. исходя из состояния почвы, её влажности с учетом вида полевых работ, обеспечивающих минимальное буксование и сохранность почвы.
В связи с тем. что наибольшее время МТА работает при установившемся дииженпи. все исследования проводились при данном режиме работы МТА. Основным допущением при проведении исследований явилось однородность почвы.
Представим взаимодействие движителя трактора с почвой в процессе буксования в виде блок-схемы, На рис.4.1 она изображена в виде системы, состоящей из трех блоков: режим работы МТА - режим буксования - свойства почвы. Для описания функционирования каждого из них требуется располагать зависимостями Ч выходных показателей от соответствующих входных факторов. Входными показателями первого блока являются влажность, агрофон и вид полевых работ с характерной нагрузкой на крюке Р р. Функционирование этого блока системы может быть описана зависимостью Расчетное значение сравниваем с табличными для степеней свободы: числителя ./ = — 1 . знаменателя J г = N и соответственно при выбранном уровне значимости d = 0.05 [112]. Дисперсия воспроизводимости равна: G, = 0.7679 GP = 0.59 Следовательно, гипотеза об однородности дисперсии параллельных опытов принимается. Ошибка эксперимента определяется как: U-l i=\ (4.9) S(;, = 0,0003 S[y) = Аг) (4-ї0 После расчетов коэффициентов уравнение (4.5) принимает вид: у = 15,48 +15,51л-, + 5,38х2 - 1,08лс,д:2 (4.11) Проверку статистической значимости проводили с помощью t-критерия. Для полного факторного эксперимента ошибки всех коэффициентов равны между собой и определяются: 5 w = 7Ш (4-12) S{m = 0,005 Длину доверительного интервала определяли с помощью выражения: &Ь, = ,Ам (4.13) &b, = 0,011
Критическое значение fKp выбирали по таблице [112] для числа степеней свободы Л (г-1)-8 и принятом уровне значимости 0,05. Все коэффициенты уравнения (4.5). кроме Ьп, оказались статистическими значимыми. В таблице 1 приложения 3 представлены результаты расчетов дисперсии адекватности. Гипотезу об адекватности проверяли с помощью критерия Фишера, который представляє! собой отношение: Л 2 , (4.14) (.о где $ Aj оценка дисперсии адекватности S2a = 0,000084 Тогда: , =3.14 Уравнение считается адекватным, если выполняется условие Fr Fp (4.16) Значение теоретического Fr выбрали в зависимости от / = У 1 и /: = N [90] Fr = 6.9 Fp -3.14 100 Следовательно, уравнение регрессии адекватно. Для приведения уравнения регрессии к виду с натуральными значениями используются формулы кодирования, после подстановки которых, в уравнении регрессии последнее примет следующий вид: у = 35.44 + 7.53К + 3.93/v - 3.76/?,КГ (4.17)
Ддя наглядности и дальнейшего анализа уравнения регрессии, его можно представить графически в виде поверхности отклика (рис.4.2).
Для построения поверхности были использованы основные точки 1-2-3-4 и вспомогательные 5-6-7-8. Вспомогательные точки учитывают кривизну поверхности і - зч. = І. І Речч іі.гаїм р. ( ЧЧ-ІПІІ і, (верхносіи v :.члика пр„дставлелы в таблице П.З...
Использование полного факторного эксперимента позволило оценить не только влияние факторов и их взаимодействие на режим буксования и его вредного воздействия на почву {рис.4.3; 4.4), но и наметить гипотезы по выявлению механизма процесса.
Анализируя полученные результаты и данные уравнения видно, что при значении факторов V:{И =].1м/с и /7,,.=0.65МПа при постоянном значении Рк? имели минимальное значение буксования. При этом из поведения кривых (рис.4.3; 4.4) видно, что минимальная степень воздействия буксования на почву получена при сочетании значении критерии оптимизации Yj . Проведенные исследования показали, что оптимальный режим буксования с точки зрения его вредного воздействия на почву, можно получить посредством сочетания факторов работы МТА.
Похожие диссертации на Обоснование допустимой величины буксования движителей, обеспечивающее уменьшение их вредного воздействия на почву
