Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1 Агротехнические требования к мелкой обработке почвы 12
1.2 Значение мелкой обработки почвы 17
1.3 Классификация рабочих органов машин для мелкой обработки почвы 21
1.4 Обзор зарубежных и отечественных технических средств для мелкой обработки почвы 27
1.5 Обзор теоретических исследований по рабочим органам дискового типа 47
1.6 Краткие выводы, цель и задачи исследования 53
2 Теоретическое обоснование параметров горизонтально расположенного дискового рабочего органа для мелкой обработки почвы и оптимизация параметров агрегата 55
2.1 Обоснование параметров горизонтально расположенного дискового рабочего органа 55
2.2 Силы сопротивления почвы при воздействии на нее горизонтально расположенного дискового рабочего органа 59
2.3 Обоснование функциональных характеристик агрегата с горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами 77
2.4 Краткие выводы 82
3 Программа и методика экспериментальных исследований 83
3.1 Программа экспериментальных исследований 83
3.2 Методы исследования агрофона 84
3.3 Экспериментальная установка для динамометрирования рабочего органа 85
3.4 Приборы и оборудование, применяемые в исследовании 87
3.5 Методика обработки экспериментальных данных 92
3.6 Краткие выводы 93
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований 94
4.1 Тяговое сопротивление предлагаемого горизонтально расположенного дискового рабочего органа и энергоемкость процесса обработки почвы 94
4.2 Оптимальные параметры горизонтально расположенного дискового рабочего органа 99
4.3 Алгоритм инженерного расчета параметров дискового рабочего органа 104
4.4 Сравнительные испытания почвообрабатывающих рабочих органов 108
4.5 Оптимальные параметры агрегата с горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами 112
4.6 Краткие выводы 118
5 Экономическая эффективность результатов исследований 120
Заключение 123
Список литературы 125
Приложения 141
- Агротехнические требования к мелкой обработке почвы
- Обзор теоретических исследований по рабочим органам дискового типа
- Обоснование функциональных характеристик агрегата с горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами
- Оптимальные параметры агрегата с горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Совершенствование способов обработки почвы, в том числе и мелкой, направлено на повышение ее качества, существенно влияющего на урожайность сельскохозяйственных культур и на снижение всех видов затрат: энергетических, трудовых, стоимостных. Применяемые машины для мелкой обработки почвы зачастую не выполняют агротехнические требования по степени крошения, структурно-агрегатному составу почвы, равномерности глубины обработки, подрезанию корневой системы сорняков и пожнивных остатков, выравненности поверхности и др. В этой связи совершенствование конструкции рабочих органов машин для мелкой обработки почвы актуально для сельскохозяйственного производства. В предлагаемом новом рабочем органе для мелкой обработки почвы использован горизонтально расположенный сферический диск, установленный на вертикальной оси и снабженный выступами (лопатками), который позволяет устранить отмеченные выше недостатки, связанные с требованиями к качеству обработки почвы.
Цель работы – повышение качества мелкой обработки почвы путем оптимизации параметров горизонтально расположенного дискового рабочего органа.
Задачи исследования:
– обосновать конструктивно-технологическую схему рабочего органа и разработать математические модели оптимизации параметров горизонтально расположенного дискового рабочего органа почвообрабатывающего агрегата;
– получить закономерности изменения пространственного и структурного положения дискового рабочего органа от технологических свойств обрабатываемой почвы;
– оценить закономерности изменения тягового сопротивления предлагаемого рабочего органа от его конструктивных параметров, режимов работы и характеристик почвы;
– провести экспериментальные исследования технологического процесса мелкой обработки почвы дисковым рабочим органом расположенным горизонтально;
– оценить зависимость технико-экономических показателей работы предлагаемого агрегата.
Объекты исследования – технологический процесс мелкой обработки почвы горизонтально расположенным дисковым рабочим органом.
Предмет исследования – закономерности процесса обработки почвы горизонтально расположенным дисковым рабочим органом и их влияние на энергоемкость.
Научную новизну представляют:
– математические модели структурной оптимизации горизонтально расположенного дискового рабочего органа в почвообрабатывающем агрегате;
– закономерности изменения пространственного и структурного положения дискового рабочего органа от технологических свойств почвы;
– закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа от его конструктивных параметров, режимов работы и характеристик почвы (временное сопротивление отрыву, объемное смятие почвы и др.);
– зависимость технико-экономических показателей работы предлагаемого агрегата (производительность, эксплуатационные затраты, мощность двигателя) от конструктивных параметров и режимов работы.
Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ на изобретения № 2275782 и № 2436270.
Теоретическая и практическая значимость работы:
– научно обоснованы конструктивные параметры и технологические режимы обработки почвы горизонтально расположенным диском;
– технологическая схема предлагаемого почвообрабатывающего агрегата;
– алгоритмы и методики расчета параметров дискового рабочего органа, реализованные в программах для ЭВМ.
Методология и методы исследований. Проведенные исследования основаны на анализе научно-технической литературы. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов математики, физики и теоретической механики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях с использованием общепринятых и частных методик в соответствии с действующими ГОСТами, а также с использованием общепринятых методик планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики.
Положения, выносимые на защиту:
– математические модели структурной оптимизации горизонтально расположенного дискового рабочего органа почвообрабатывающего агрегата;
– закономерности изменения пространственного и структурного положения дискового рабочего органа от технологических свойств почвы;
– закономерности изменения тягового сопротивления предлагаемого рабочего органа от его конструктивных параметров, режимов работы и характеристик почвы;
– технико-экономические показатели работы предлагаемого агрегата;
– экономическая эффективность результатов исследования.
Достоверность результатов работы подтверждена положительными результатами экспериментальных исследований горизонтально расположенного дискового рабочего органа, а также сходимостью теоретических зависимостей с экспериментальными.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на: научных конференциях факультета механизации Кубанского государственного аграрного университета в 2010–2015 гг.; Всероссийской научно-практической конференции ФГБОУ ВПО КубГАУ, г. Краснодар (2013); 70-й научно-практической конференции КубГАУ (2014); Международной научно-практической конференции «Техническое и кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве» (Республика Беларусь, г. Минск, 2014); XII Международной научно-практической конференции «Актуальные пробле-
5 мы научно-технического прогресса АПК» г. Ставрополь (2016); XVI Международной агропромышленной выставке «Золотая Нива» (г. Усть-Лабинск, 2016).
Связь темы диссертации с планом научно-исследовательских работ. Исследования проводились в период с 2010 по 2015 годы в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по теме 9 «Совершенствование ресурсосберегающих машинных технологий, надежности машин и использования машинно-тракторного парка», раздела 6 «Разработка энергосберегающей технологии и комбинированного агрегата для обработки почвы с внесением удобрений и защитно-стимулирующих жидкостей» (номер ГР 01201153626).
Вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад автора состоит в сформулированной гипотезе, основанной на анализе литературных источников, теоретическом обосновании параметров дискового рабочего органа, разработанной и изготовленной лабораторно-полевой установке, проведении эксперимента, апробации результатов исследования. Автором выполнена обработка и интерпретация экспериментальных данных, сформулированы научные положения.
Публикация результатов исследования. Основное содержание работы опубликовано в 11 научных работах, в том числе 8 работ в изданиях из перечня ВАК и 2 патентах РФ на изобретение.
Реализация результатов исследований. Дисковый горизонтально расположенный рабочий орган прошел производственную проверку и внедрен в ООО «Сфера» (ст. Платнировская, Кореновский район, Краснодарский край). Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Кубанского ГАУ.
Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 152 наименований и приложений. Работа изложена на 141 странице машинописного текста и включает 70 рисунков и 13 таблиц.
Агротехнические требования к мелкой обработке почвы
Почва – уникальное природное тело, которое характеризуется плодородием. Неправильное, нерациональное обращение с почвой неизбежно приведет к снижению ее плодородия, поэтому так важно найти приемы, разработать технические средства обработки почвы, направленные на создание наиболее благоприятных условий для жизнедеятельности культурных растений, непрерывного повышения плодородия почвы, устранения причин, мешающих формированию этих условий. [14, 64, 67].
Основным условием плодородия почвы является прочная комковатая структура, представленная в более или менее рыхлом слое из отдельных комочков размером от 1 до 10 мм. Естественной противоположностью комковатой структуре является раздельно-частичное состояние почвы, лишенное структуры; в этом случае отдельные частицы почвы не входят между собой в какие-либо особые отношения и составляют сплошную массу всего пахотного слоя.
Для водного режима указанные состояния имеют совершенно различное значение. Влага, выпадающая из атмосферы в толщу бесструктурной почвы, может проникать лишь по волосным каналам с большим замедлением, ибо каждая капля воды, поступившая таким путем в почву, препятствует проникновению следующих; вода скапливается на поверхности почвы и стекает по уклонам в долины рек или на замкнутые пониженные уровни. Еще хуже обстоит с водой, образующейся при таянии снега весной; в этом случае доступ снеговой воды в пахотный слой совершенно исключается, так как волосные каналы верхнего слоя почвы заполнены льдом. «Все 100 % воды зимних осадков, – отмечает академик В. Р. Ви-льямс, – стекают по поверхности, и в бесструктурную почву ни одна капля воды не проникает» [78, 89, 91].
Если поступление влаги в бесструктурную почву замедлено, то восходящий ток воды с нижних слоев к верхним по мере испарения влаги с поверхности ока 13 зывается равномерным и даже ускоренным, так что запас воды в бесструктурной почве неустойчив, количественно он невелик и не подчиняется регулированию; иными словами, водный режим в бесструктурной почве хаотичен, что приводит к стихийности в колебаниях урожаев [78].
Совершенно иной водный режим имеет место в структурной почве; наличие неволосных промежутков между комочками обеспечивает исключительно быстрое проникновение воды в толщу пахотного слоя. «Всякий дождь, какова бы ни была его сила, – говорит академик Вильямс, – целиком проникает в массу структурной почвы». Талая вода весной также целиком поглощается почвой, ибо льдом заполняются только волосные каналы комочков, а неволосные промежутки между комочками свободны ото льда [78].
При отсутствии дождя испарение воды структурного пахотного слоя ограничивается только самыми верхними слоями комочков; переход воды из нижних слоев в верхние по волосным каналам невозможен, так как последние прерываются широкими неволосными промежутками между комочками. Это обстоятельство приводит к тому, что запас воды в структурной почве устойчив и количественно велик. Следует отметить, что быстро подсыхающие поверхностные слои комочков сразу же прекращают испарение воды из почвы и являются защитным изолирующим слоем [78, 99, 121].
В зависимости от особенностей возделывания той или иной сельскохозяйственной культуры для создания наиболее благоприятных условий развития растений и получения высоких урожаев применяют различные способы обработки почвы: вспашку, фрезерование, лущение, боронование и так далее [87, 101, 120].
При обработке почву крошат, рыхлят, перемещают частицы в вертикальном и горизонтальном направлениях, уплотняют, а также подрезают и извлекают из нее сорняки.
Крошение имеет целью разрушить пласт почвы на мелкие комки. Почва становится более рыхлой, однако чрезмерное измельчение недопустимо, поскольку оно приводит к ее распылению. Качество крошения оценивают агрегатным анализом посредством разделения частиц почвы на фракции по соответствующим размерам. Фракционный состав почвы определяют по весу каждой фракции и выражают в процентах, учитывая при этом вес фракций с частицами, имеющими наиболее желательные размеры, и вес фракций, состоящих из крупных комков и пыли.
Рыхлением достигают увеличения промежутков между почвенными агрегатами, изменения их взаимного расположения. За счет малой прочности почвенных агрегатов рыхление обычно сопровождается крошением. Комки почвы после перемещения занимают больший объем. Качество рыхления оценивают отношением толщины обработанного слоя почвы к толщине его до обработки. Это отношение (вспушенность) при рыхлении всегда больше единицы (до 1,3–1,4).
Качество обработки почвы зависит от формы рабочих органов, их расположения, размеров, скорости движения машины. Большое значение при этом имеет состояние почвы, ее механический состав, влажность, растительный покров, предшествующие обработки. Для обработки почвы промышленность выпускает плуги, лущильники, бороны, культиваторы и т. д. [13, 80, 111].
Агротехнические требования к качеству подготовки почвы и посева озимых колосовых культур следует рассматривать комплексно, т.е. не только с точки зрения придания почве таких характеристик, которые способствовали бы сохранению влаги, оставшейся в почве и накопления влаги от выпадающих осадков, но и с точки зрения способности посевных машин качественно заделать семена в почву с достигнутым качеством ее обработки.
Агротехнические требования к подготовке почвы под посев озимых колосовых культур после пропашных предшественников должны полностью учитывать почвенно-климатические условия, биологические особенности культуры и охрану окружающей среды.
В Краснодарском крае и в ряде других регионов Северного Кавказа сроки уборки пропашных предшественников – кукурузы на зерно, подсолнечника, сахарной свеклы и других – практически совпадают с рекомендуемыми в этих зонах оптимальными сроками посева озимых колосовых культур.
Почва после уборки пропашных культур обычно характеризуется высокой твердостью, низкой влажностью и наличием большого количества пожнивных остатков. В этих условиях вспашка вызывает образование больших глыб, которые даже многократными проходами полностью разделать не удается, почва еще более иссушается и, в конечном итоге, снижается урожайность.
Одним из интенсивно используемых в сельскохозяйственном производстве факторов, определяющих направление и степень изменения агрофизических свойств почвы, является пресс антропогенного воздействия на почву: применение агротехнологий, внесение удобрений и средств защиты растений.
Влияние механической обработки на физические, водно-физические и другие свойства черноземов, в зависимости от ее продолжительности, наиболее детально изучено при сравнении показателей пахотных угодий и участков с другим сельскохозяйственным использованием, но идентичным почвенным покровом [11, 60, 124].
Отмечено, что, несмотря на ухудшение свойств пахотного, а иногда подпахотных слоев при использовании угодий под пашню и их дальнейшего использования в сельскохозяйственном производстве, приходится применять различную по интенсивности обработку для поддержания благоприятного сложения почвы. При этом не решен до конца вопрос защиты почв от переуплотнения их ходовыми системами сельскохозяйственной техники [145, 149].
В проблеме взаимодействия ходовых систем сельскохозяйственной техники с почвами много неясных положений, и главное в них – насколько велика способность чернозмов противостоять деформации и восстанавливать исходные свойства. В имеющейся литературе встречаются противоречивые мнения по вопросу взаимодействия ходовых систем техники с почвой. Так, в работах В. В. Медведева, М. А. Шипилова отмечается, что переуплотнение чернозмов приводит к ухудшению физических свойств и снижению урожая сельскохозяйственных культур [85, 86].
И. В. Кузнецова и В. И. Данилова [73, 74] наряду с уплотняющим действием техники отмечают и способность почв к разуплотнению, связывая е с действием высокоэластичных и высокомолекулярных органических соединений, имеющих достаточно прочную и гибкую пространственную сетку, способную значительно разрыхляться при набухании.
Однако далеко не всегда почва при саморазуплотнении достигает оптимальной плотности, величина которой рассчитывается по формуле С. И. Долгова, И. В. Кузнецовой [45, 73]. При определенном уплотнении, названном В. И. Даниловой [73] критическим порогом уплотнения (КПУ), в почве появляется остаточное уплотнение. Почва, уплотненная сверх КПУ, под влиянием только циклов увлажнения (иссушения) уже не способна вернуться к оптимальной плотности. Почвы разных генетических типов обладают неодинаковой способностью противостоять уплотняющему действию техники и КПУ у них различен [73]. При уплотнении почвы с высокой влажностью сокращается доля обратимых упругих и эластичных деформаций и соответственно возрастает доля необратимых остаточных деформаций. Этим обусловлено уменьшение критического порога уплотнения в почве с высокой влажностью [13, 112]. По различным данным [73, 86] КПУ чернозмов в зависимости от влажности колеблется от 1,27 до 1,32 г/см3. Плотность почвы в значительной мере определяется состоянием ее структуры.
Многочисленными исследованиями [3, 28, 85] доказано, что обработка почвы в этих условиях на глубину 8–12 см (мелкая обработка почвы) является достаточной и оптимальной. Поглощение выпадающих осадков при увеличении глубины основной обработки почвы также не повышается. Известно, что степень крошения определяет способность почвы регулировать водно-температурный режим и сохранять почву от эрозии и дефляции. Рекомендуется иметь в обрабатываемом слое содержание почвенных фракций до 50 мм не менее 80%. При этом желательно более крупную фракцию сохранить на поверхности почвы. Глыбы более 100 мм не допускаются. Однако следует заметить, что столь высокая степень крошения почвы, очевидно, диктуется больше неспособностью серийных сеялок заделать семена на нужную глубину равномерно в более грубо обработанную почву. [7, 66, 137].
Обзор теоретических исследований по рабочим органам дискового типа
Основным положительным качеством дисковых рабочих органов является их меньшая, чем поступательно движущихся (лемешных), подверженность забиванию сорняками, соломой и другими волокнистыми материалами. Положительным качеством дисковых плугов и лущильников является также то, что при их работе на сухих спекающихся почвах не происходит образования таких крупных глыб почвы, какие возникают при работе в тех же условиях лемешных плугов [19, 25, 26, 27].
Угол заострения i лезвия дисков у борон и лущильников равен 10-20, а у плугов - 15-25 [8, 44, 19]. От состояния рабочих органов машины напрямую зависит качество работ, выполняемых сельскохозяйственной техникой. В частности техническое состояние почворежущих деталей влияет на урожайность сельскохозяйственных культур, качество исполнения технологического процесса, затрат на его проведение и сроки выполнения работ [42, 98, 130].
Сплошные дисковые рабочие органы применяют на плугах и лущильниках, а на боронах используют диски со сплошным и вырезным лезвием [115, 122, 132].
Толщина 5 сферических дисков, предназначенных для обычных почв, может быть определена согласно эмпирической зависимости [95, 96, 133]:
Диски плугов, борон и лущильников имеют разный способ монтажа. Диаметр диска следует выбирать наименьшим из допустимых по условиям работы значений, так как с увеличением диаметра диска резко возрастает нагруз 48 ка, необходимая для заглубления дисков в почву [33, 141, 146]. Величина диаметра бывает в известной мере предопределена заданной глубиной обработки почвы (a), так как D и a связаны между собой зависимостью: где k - коэффициент, зависящий от типа машины: для плугов k равно 3-3,5, для лущильников k равно 5-6, для борон k равно 4-6.
Чем больше кривизна плоскости диска, тем интенсивнее крошение почвы, однако выбор значения радиуса R кривизны зависит от диаметра диска D, угла установки а, угла заострения лезвия i, глубины обработки a и угла зазора єa (заднего угла резания) [2].
Положительные значения угла зазора єa в горизонтальном сечении лезвия диска плоскостью, соответствующей поверхности поля при наибольшем погружении диска в почву, обязательны для плугов и лущильников [31, 35]. Нарушение этого условия вызывает смятие верхней части стенки борозды затылком заточки диска, вследствие чего происходит распыление почвы, нарушение устойчивости глубины хода дисков и увеличение их тягового сопротивления [61, 62, 63]. У борон, диски которых не отделяют стружку от монолита, а разрезают отдельные пласты и глыбы, допустимы отрицательные значения угла єa при условии, что он будет меньше угла заострения лезвия iа в рассматриваемом сечении диска [72, 94, 135].
Диаметр и радиус кривизны диска связаны зависимостью (рисунок 1.28): R = D (1.4) где R - радиус кривизны диска, мм; 2ср - угол при вершине сектора. В сечении вертикального диска горизонтальной плоскостью, проведенной через ось его вращения (рисунок 1.28), соотношение углов следующее:
Эта зависимость, однако, не может быть использована для определения значения угла « необходимого для расчета по формуле (1.4) радиуса R. Это связано с тем, что исходной величиной при проектировании бывает не угол є, а угол зазора єа, образуемый с направлением поступательного движения машины линией, которая возникает в сечении конической поверхности заточки лезвия диска горизонтальной плоскостью, соответствующей поверхности поля при максимальной глубине обработки a (рисунок 1.29) [128, 139].
В сечении диска горизонтальной плоскостью на расстоянии а от дна борозды получаем следующее соотношение углов:
Из этого выражения по заданным а и є., можно определить угол а., после чего, подставляя найденное значение сой и принятую величину коэффициента к в формулу (1.7) находим значение угла с;:
По вычисленному углу со и выбранному углу заострения лезвия і находят угол р = со-і, после чего определяют радиус R кривизны диска [116, 148, 106].
Таким образом, рассмотренные основные соотношения, необходимые при проектировании дисковых рабочих органов согласно [134] показывают, что уве 51 личение радиуса R по сравнению с вычисленным по зависимости (1.4) вызовет ухудшение качества работы - меньшее крошение и оборот пласта, а уменьшение будет препятствовать заглублению дисков в почву из-за возникновения в этом случае отрицательного значения угла єа.
Вращение рабочих органов - это основное отличие ротационных почвообрабатывающих машин и орудий. Положение оси вращения ротора в пространстве является наиболее значимой характеристикой ротационных машин и орудий [62].
Приведенная классификация охватывает всю совокупность возможного расположения оси вращения роторов в пространстве и, таким образом, облегчает систематизацию теории.
Теоретическим исследованиям дисковых сферических почвообрабатывающих рабочих органов посвящены исследования таких ученых как В. П. Горячкин, И. М. Панов, Ф. М. Канарев, Н. Нерли, Г. И. Синеоков, Х. А. Хачатрян, В. В. Богатырев, В. С. Василинин, П. С. Нартов, Е. А. Кочкин и др.
Одним из основоположников теории сферических дисков является профессор Н. Нерли [118]. Он определил момент сил трения полностью заторможенного сферического диска, тангенциальную составляющую реакции почвы на рабочую поверхность диска. Ученый сделал вывод о том, что вращение диска уменьшает коэффициент трения.
Профессор Н. Нерли принимал давление почвы на диск равномерно распределенным.
Основатель теории земледельческой механики Василий Прохорович Горячкин рассматривал поверхность сферического диска, а также движение почвы по ней, как плоский и трехгранный клин [24, 56]. Горизонтальная составляющая реакции почвы на диск определялась исходя из нормальной реакции.
Один из решающих факторов обеспечения работоспособности сферических дисков, его геометрию, исследовал другой видный советский ученный в области проектирования сельскохозяйственных машин Г. Н. Синеоков [1].
Им рассмотрены вопросы кинематики, даны основные соотношения, необходимые при проектировании дисковых орудий, полученные эмпирическим пу 52 тем. Рассматривая кинематику плоских и сферических дисков, автор доказал, что резание лезвием свободно вращающегося диска происходит без скольжения [81].
X. А. Хачатрян рассматривал движение сферического диска как сложное перемещение в направлении поступательного движения рабочего органа и учета его вращения вокруг оси.
Значительный вклад в исследования дисковых почвообрабатывающих рабочих органов внесли работы П. С. Нартова [94, 95,96]. Он доказал влияние геометрических размеров диска и способности вращения на скорость частиц пласта, соприкасающегося с поверхностью диска, а также на его траекторию относительного перемещения и конечное положение.
Перемещение и перемешивание почвы дисковыми рабочими органами исследовали многие ученые. Ими изучались углы установки дисковых рабочих органов, диаметра и радиуса кривизны диска, скорости его вращения [87, 113, 116].
В работах П. С. Нартова [94, 95,96] подробно рассмотрены вопросы движения плужных сферических дисков в почве, даны методы определения их конструктивных параметров и расстановки, большое внимание уделено качеству, но силы, действующие на них при работе, определялись только экспериментальным путем. Исследования были направлены на определение влияния углов установки дисковых рабочих органов на изменение продольной, поперечной и вертикальной составляющих главного вектора элементарных сил сопротивления, действующих на диск со стороны почвы [94, 95].
Обоснование функциональных характеристик агрегата с горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами
Для оценки значимости рассмотренных расчетно-теоретических выкладок была предложена и проведена предварительная проработка значения (целесообразности) оптимизации рабочего органа в виде горизонтального неплоского диска, как основного исполнительного аппарата в составе почвообрабатывающего агрегата.
Для выбора параметров агрегата с дисковыми рабочими органами примем следующие показатели: скорость движения агрегата v от 5 до 15км/ч (шаг 1); ширина захвата машины B от 2 до 14м (шаг 1); рабочая длина гона L от 0,5 до 1,5км (шаг 0,5); уклон рабочего участка i от 3 до 10% (шаг 1) [83, 93].
Удельное тяговое сопротивление машины определим по формуле: где м – удельное тяговое сопротивление машины, кН/м; – скорость движения агрегата км/ч.
Используя зависимость (2.73), определим тяговое сопротивление прицепной части агрегата: где Ra - тяговое сопротивление прицепной части агрегата, кН; ВР - ширина захвата машины, м; і - уклон рабочего участка, %.
Мощность энергетического средства определим из зависимости: Ne = ВР Vp (0,08 + ) + 0,31 Ra vP, где ЛГв - мощность энергетического средства, кВт, (Ne 5 0 0 кВт).
(2.74) Стоимость энергетического средства и машины определим по формулам 2.75 и 2.76:где С5 - стоимость энергетического средства, руб.; СБ.М - стоимость машины, руб.
Коэффициент использования времени смены , LР - рабочая длина гона, км.
Производительность агрегата за один час времени смены определим следующим образом [19, 20]: где W - производительность агрегата за один час времени смены, га/ч.
Эксплуатационные затраты при использовании данного агрегата определяются по формуле (2.79):
Используя вышеприведенные формулы, составим блок схему алгоритма выбора рационального почвообрабатывающего агрегата (рисунок 2.16). Ввод исходных данных: v = 5–15км/ч (шаг 1); B = 2–14м (шаг 1); L 0,5–1,5км (шаг 0,5); i = 3–10% (шаг 1)
Блок-схема алгоритма [52, 83] содержит 12 операторов. В первом представ лены исходные параметры для моделирования: – скорость движения агрегата от 5 до 15 км/ч, – ширина захвата от 2 до 14 м, – рабочая длина гона от 0,5 до 1,5 км, – угол подъема от 3 до 10%.
Получив управление от 1-го оператора, во 2-м производится расчет удельного тягового сопротивления. Далее в логическом операторе 3, после получения управления от 2-го, производится расчет тягового сопротивления агрегата и передается управление 4-му оператору, где рассчитывается мощность энергетического средства.
При соответствующем ограничении мощности энергетического средства ( ), оператор 4 передает управление операторам 6 и 7 для расчета стоимости энергетического средства и машины соответственно. В операторе 8 рассчитывается коэффициент использования сменного времени агрегата и передается управление оператору 9, в котором определяется производительность агрегата.
В операторе 10 определяются эксплуатационные затраты в руб/га. Логический оператор 11 проверяет расчет всех вычислений по исходным данным и передает управление оператору 12 для построения зависимостей
На проектируемом почвообрабатывающем агрегате дисковые рабочие органы располагаем в два ряда (рисунок 2.17).
Ширину захвата дисковых рабочих органов (диаметр) примем равной b.
Расстояние между рядами дисковых рабочих органов выбираем из усло вия предотвращения забивания орудия растительными остатками с учетом зоны распространения деформации почвы по ходу диска [67]. Согласно ранее проведенных исследований [67] принимаем в интервале 350–550 мм.
Перекрытие между дисками определяем исходя из условия полного подрезания сорняков и корневищных остатков [67]: где – угол отклонения дисков от прямой линии.
Расстояние между дисками в ряду [75]:
Определяем ширину захвата почвообрабатывающего агрегата:, (2.82) где – число дисковых рабочих органов; – число перекрытий между дисками.
Оптимальные параметры агрегата с горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами
Используя наши теоретические предпосылки в разделе 2 и экспериментальные исследования, мы разработали блок-схему алгоритма оптимизации параметров и режимов работы почвообрабатывающего агрегата с предлагаемыми дисковыми рабочими органами, представленную на рисунке 2.12.
Полученные зависимости ( ), э ( ), ( ), ( ) представлены на рисунках 4.8 – 4.15 [52]. На рисунках 4.8 и 4.9 показаны зависимости изменения потребляемой мощ ности от ширины захвата агрегата при угле подъема обрабатываемой по верхности от 3 до 10 %. В первом случае (рисунок 4.8) мы видим, что потребля емая мощность двигателя с увеличением ширины захвата и скорости движения агрегата увеличивается по линейной зависимости. Такая закономерность проявля ется до значения ширины захвата в 12 м, а после превышения этого значения, по требление мощности незначительно снижается, что обусловливается физико механическими свойствами почвы.
Во втором случае (рисунок 4.9) зависимость потребления мощности при тех же показателях ширины захвата и скорости движения, но при угле подъема в 10 %, ведет себя аналогично предыдущей зависимости с отличительной особенностью: изменение потребляемой мощности происходит при 10,5 – 11 метрах ширины захвата, в зависимости от скорости движения.
На рисунках 4.10 и 4.11 рассмотрена зависимость эксплуатационных затрат от ширины захвата агрегата при угле подъема от 3 до 10 %. Из этой зави симости мы видим, что при меньшем угле подъема и различных скоростях дви жения агрегата минимальные эксплуатационные затраты согласно разработанной нами блок-схеме, отмеченные на графике точками, составляют при скорости дви жения = 8 км/ч чуть более 380 руб/га, а при = 5 км/ч – затраты составляют около 550 руб/га (рисунок 4.10). При угле подъема в 10 % (рисунок 4.11) эксплуатационные затраты при 8 км/ч увеличились до 400 руб/га, а при 5 км/ч увеличились до 600 руб/га. Анализи 115 руя приведенные зависимости, можно сказать, что эксплуатационные затраты всегда снижаются с увеличением скорости движения агрегата и ширины захва та агрегата . И если принять при скорости 5 км/ч показатель эксплуатационных затрат за 100 %, то изменение эксплуатационных затрат с увеличением скорости до 6, 7 и 8ми км/ч произойдет на 10,2 %, 20,4 % и 30 % соответственно.
Анализируя представленные нами зависимости по разработанной блок-схеме, можно сделать вывод, что на потребление мощности в большей степени влияет ширина захвата и скорость движения агрегата. На минимальные эксплуатационные затраты серьезное влияние оказывает рельеф местности и скорость движения агрегата. В свою очередь производительность будет максимальной при наибольшей скорости движения и ширине захвата. Коэффициент использования времени смены в основном зависит от длины обрабатываемого участка.