Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и научные задачи исследования 6
1.1. Анализ технологий обработки почвы под посев повторных культур 6
1.2. Обзор методов подхода к решению задач минимизации затрат энергии на обработку почвы 13
1.3. Анализ теоретических исследований дисковых сферических рабочих органов почвообрабатывающих орудий 16
1.4. Методы определения энергетической эффективности ротационных почвообрабатывающих агрегатов 30
1.5. Выявление перспективного направления исследования и разработка рабочей гипотезы 33
1.6. Цель и задачи исследования 38
2. Программа и методика теоретических и экспериментальных исследований 39
2.1. Программа теоретических и экспериментальных исследований 39
2.2. Методика разработки конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия 41
2.3. Методика проведения полевого факторного эксперимента 47
3. Результаты теоретических и эксперимен тальных исследований и их анализ 70
3.1. Синтез принципиальной конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия 70
3.2. Результаты исследования работоспособности разработанной конструкции 76
3.3. Результаты теоретических исследований закономерностей взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой 83
3.4. Теоретическое обоснование радиуса дисков 91
3.5. Математическая модель закономерностей изменения рабочей скорости агрегата 104
3.6. Математическая модель производительности агрегата 122
3.7. Результаты оптимизации параметров агрегата 125
4. Экономическая эффективность результа тов исследования 131
Общие выводы и предложения производству 135
Литература 138
Приложения 150
- Обзор методов подхода к решению задач минимизации затрат энергии на обработку почвы
- Методика разработки конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия
- Результаты исследования работоспособности разработанной конструкции
- Математическая модель производительности агрегата
Введение к работе
Одним из важных источников повышения эффективности сельскохозяйственного производства являются повторные посевы. В Краснодарском крае посевы таких культур занимают до 300 тыс. га, из них кукуруза - около 90 % от этой площади [1, 2,98].
Целью обработки почвы под повторный посев кукурузы на зеленый корм является качественная разделка почвы, измельчение пожнивных остатков и их равномерное распределение в обрабатываемом слое, сохранение почвенной влаги.
Трудности качественной обработки слитых черноземов Кубани при подготовке их к посеву пожнивной кукурузы обусловлены высоким сопротивлением почвы и образованием больших почвенных глыб после отвальной вспашки. Для измельчения глыб требуется производить несколько проходов по полю тяжелых машинно-тракторных агрегатов, которые в большинстве случаев оборудованы примитивными энергонеэффективными самодельными приспособлениями: движки-волокуши, изготовленные из рельс или труб с наваренными на них зубьями и т. п. Это приводит к чрезмерному уплотнению почвы, потере влаги, высокому потреблению энергии.
Дисковые почвообрабатывающие рабочие органы позволяют получать высокие урожаи пожнивной кукурузы, но применение существующих дисковых почвообрабатывающих орудий требует проведения многократных (трех и более) проходов агрегатов по полю. На засоренных полях происходит наматывание растительности на дисковые батареи, имеющие одну общую ось.
Исследование проводилось в соответствии с планом НИР КГАУ на 2001-2005 г.г. по теме П. «Разработать и внедрить рабочие органы для энергосберегающих технологий», подраздел 11.1.4. «Совершенствование технологий, технических средств и рабочих органов почвообрабатывающих машин».
Цель работы - теоретическое исследование и экспериментальное обоснование оптимальных значений конструктивных параметров дискового почвообрабатывающего орудия
Предмет исследования - взаимосвязи и закономерности технологического процесса обработки почвы дисковым почвообрабатывающим орудием.
Объект исследования - технологический процесс обработки почвы дисковым ротационным почвообрабатывающим агрегатом.
Методы исследований предусматривали синтез принципиальной компоновочной схемы дискового ротационного почвообрабатывающего орудия методами морфологического анализа, разработку математической модели взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой и последующие экспериментальные исследования на основе планирования многофакторных экспериментов и регрессионного анализа опытных данных с использованием ПЭВМ.
Научную новизну составляют:
• • синтез принципиальной конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия, с использованием комбинаторных методов поиска новых технических решений;
• закономерности взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой с учетом отклонения вектора реакции почвы на рабочий орган от направления вектора его абсолютной скорости;
• математические модели закономерностей изменения эксплуатационных показателей ДРПА.
Практическую значимость составляют:
• конструкция дискового ротационного почвообратывающего орудия;
• оптимальные режимы работы и параметры дискового ротационного почвообрабатывающего орудия;
• режимы работы ротационного почвообрабатывающего орудия.
Обзор методов подхода к решению задач минимизации затрат энергии на обработку почвы
Известно, что в силу диалектичности природы всякое явление материального мира раздваивается на взаимоисключающие противоположности, и взаимодействие между ними является движущей силой всякого движения, развития, прогресса. Чтобы правильно понять сущность любого процесса, явления, законов его развития, необходимо уметь выделить диалектические противоречия этого явления и найти способы их разрешения. Разрешение каждого противоречия будет шагом, «скачком» на пути развития. Это универсальное правило в полной мере относится и к процессу почвообработки.
Конечной целью сельскохозяйственных работ является получение максимального урожая с минимальными затратами. Для того, чтобы получить высокий урожай, необходимо в сжатые сроки и с высоким качеством провести подготовку почвы к посеву. Но высокая интенсивность процесса обработки почвы требует значительных энергозатрат, это явление очевидно и неизбежно, ведь, например, кинетическая энергия является функцией второй степени скорости.
Именно в этом и заключается основное диалектическое противоречие почвообработки: с одной стороны - необходимо стремиться к повышению качества обработки почвы, ас другой— необходимо стремиться к снижению затрат на ее проведение.
Сложились три основных способа разрешения основного диалектического противоречия обработки почвы дисковыми почвообрабатывающими орудиями:
1. Совершенствование конструкций рабочих органов.
2. Улучшение отдельных конструктивных элементов почвообрабатывающих машин.
3. Оптимизация схемы расстановки рабочих органов.
Решение этих задач проводилось экспериментально-теоретически или чисто эмпирически.
Рабочие органы находятся в непосредственном контакте с обрабатываемой почвой, воспринимая ее сопротивление. При этом возникает естественное желание изменить их конструкцию таким образом, чтобы сопротивление почвы уменьшилось, а качество обработки улучшилось, или хотя бы не ухудшилось. Поэтому многие исследователи шли по первому пути разрешения основного диалектического противоречия почвообработки [19, 38,41, 42,43,50, 51, 80,91, 93, 97, 108, 113, 121].
Однако, после разрешения основного диалектического противоречия почвообработки по первому способу возникают новые противоречия. В частности, между усовершенствованной конструкцией рабочего органа и устаревшей конструкцией самого культиватора. Старая конструкция культиватора не дает новым рабочим органам в полной мере реализовать свои потенциальные возможности..
Можно заключить, что первый способ разрешения основного диалектического противоречия почвообработки является неполным, однобоким. Несистемный характер первого способа не дает возможности в полной мере реализовать положительные качества, заложенные в конструкцию новых рабочих органов.
Вторым способом разрешения основного диалектического противоречия почвообработки является улучшение конструктивных элементов машины в целом [12, 13, 16, 22, 23, 27, 29, 34, 41, 42, 64, 65, 66, 67, 68, 92, 94, 95, 96, 110, 112, 118, 119, 122, 127].
Как и в первом случае, после разрешения основного диалектического противоречия по второму способу, возникают новые, вторичные противоречия, например, между усовершенствованной конструкцией машины и устаревшей конструкцией рабочего органа.
Поэтому целесообразно искать комплексные, системные пути разрешения основного диалектического противоречия почвообработки, которые позволяют определить оптимальные значения конструктивных параметров орудия в результате системного анализа процесса взаимодействия рабочей машины и обрабатываемого материала при агрегатировании с трактором конкретной марки. 1.3. Анализ теоретических исследований дисковых сферических рабочих органов почвообрабатывающих орудий
Вращение рабочих органов является основным отличительным признаком ротационных почвообрабатывающих машин и орудий. Совокупность ротационных рабочих органов и устройство, на котором они закреплены, называют ротором.
Важнейшим признаком, характеризующим ротационные машины и орудия, является расположение оси вращения ротора в пространстве. Профессор Ф. М. Канарев приводит их классификацию по этому признаку (см. рис. 1.3.) [41, 42,].
Методика разработки конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия
Как правило, процесс поиска новых решений технических задач является весьма сложным эвристическим процессом с достаточно неопределенным алгоритмом, базирующимся на интуиции исследователя [5, 6]. Такой недетерминированный подход имеет два существенных недостатка, которые выражаются в том, что:
во-первых, направление поиска не имеет априори заданного направления, так как интуиция автора, базирующаяся на его личном знании и практическом жизненном опыте, не поддается его же собственному волевому управлению;
во-вторых, нет уверенности в том, что найденное интуитивно конструктивное решение технической задачи действительно является наилучшим из множества всех возможных решений.
В связи с этим нами была предпринята попытка оптимизации самого творческого процесса поиска нового технического решения - принципиальной конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия.
Основу любого творческого процесса (системы творчества) составляют, как правило, объект и субъект исследования, т. е.:
1. Постановка и решение технической (творческой) задачи.
2. Конкретный исследователь, лицо, решающее эту задачу.
В соответствии с такой структурой системы творчества, все существующие методы поиска технических решений можно также разделить на два класса:
1. Методы постановки и решения технических задач.
2. Методы психоэвристического стимулирования разработчика. Методы постановки и решения задач — это методы воздействия на задачу, методы переработки разработчиком той информации, которая необходима для получения искомого решения. Эти методы позволяют формализовать, определенным образом организовать процесс сбора и переработки информации о задаче. Они являются «искусственным дополнением» мозга исследователя, подобно тому, как механизмы служат искусственным дополнением, своего рода продолжением человеческих рук, а приборы — органов чувств человека.
Методы психоэвристического стимулирования — это методы воздействия на разработчика, стимулирования его творческого потенциала для повышения его «коэффициента полезного действия» при обработке известной и получении новой информации. Они помогают разработчику наиболее полно раскрыть его творческий потенциал, снижая психологические барьеры творчества и помогая преодолеть некоторые синдромы, отрицательно влияющие на творческую активность.
Учитывая техническую направленность данной работы, рассмотрим лишь первую составляющую творческого процесса поиска нового технического решения - методы постановки и решения задач.
Всего известно несколько десятков таких методов. Наиболее важными из них являются [5, 6,24,- 60, 71, 72, 111]:
алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ). Многие считают его наиболее разработанным трансформационным методом. В качестве «модели-ориентира» искомого решения выступает так называемый «идеальный конечный результат». В АРИЗе реализуется операциональный подход к «усмотрению» искомого технического решения. Его основой являются программа последовательных операций для выявления и устранения технических противоречий, средства управления психологическими факторами и информационный фонд. В информационный фонд АРИЗ входят приемы, стандарты на творчество (которых насчитывается около 80), банки физических, химических и геометрических эффектов. Для устранения типовых технических противоречий применяется около 100 приемов. Например, АРИЗ-85-В включает 28 шагов, 32 примечания, 11 правил и 11 принципов разрешения физических противоречий, уточняющих выполнение шагов.
Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). Является результатом дальнейшего развития АРИЗ и применения специальных методов, как, например, вепольного анализа.
Контрольных вопросов.
Метод фокальных объектов.
Мозгового штурма (автор А. Осборн).
Теневой мозговой штурм.
Синектики (автор У. Гордон).
Функционально-стоимостный анализ (ФСА) (состоит в сопоставлении функциональной нагрузки элементов конструкции с их себестоимостью).
Морфологический подход базируется преимущественно на комбинаторном принципе поиска технических решений (автор Ф. Цвикки). Суть морфологического подхода состоит в том, что на стадии морфологического анализа надо получить не план решения задачи, как в трансформационных методах, а так называемое морфологическое множество решений - описание всех возможных (мыслимых) решений SR данной задачи. Известно, что в процессе эволюции любая техническая система (ротационное дисковое почвообрабатывающее орудие является примером такой системы) проходит три этапа развития (см. рис. 2» 1.): I этап - возникновение и становление технической системы. Систе ма возникает в результате одного или нескольких изобретений высокого уровня. Общество объективно нуждается в этой технической системе, но оно не знает о том, что она уже существует в природе, не знает ее возмож ностей. Поэтому экономическая эффективность системы ниже нуля. Ее разрабатывает очень маленький коллектив энтузиастов-сподвижников, как правило, являющихся авторами. II этап - развитие технической системы. Общество нуждается в сис теме, знает о ее существовании и активно ее использует. Она экономиче ски целесообразна. Техническая система активно совершенствуется боль шим количеством разработчиков. Этап характеризуется; большим количе ством изобретений и усовершенствований, которые позволяют повысить экономическую и функциональную эффективность системы. Уровень изо бретений более низкий, чем на первом этапе, но затраты на совершенство вание системы окупаются.
Результаты исследования работоспособности разработанной конструкции
Разработанная принципиальная конструктивная схема дискового почвообрабатывающего орудия была реализована на предприятии ОАО «Ремком» в виде натурного полномасштабного образца. Известно, что критерием истины является практика, поэтому только производственные, хозяйственные полевые испытания наиболее достоверно могут оценить в принципиальном плане работоспособность разработанной конструктивной схемы, а также выявить узлы и детали новой конструкции, которые нуждаются в доработке.
В этой связи изготовленное орудие было подвергнуто полевым испытаниям с целью доводки его узлов в реальных агропочвенных условиях. Предварительные испытания проводились на полях учхоза «Краснодарское» КубГАУ в 1998-1999 гг.
В результате этих опытов было установлено, что разработанная конструкция обеспечивает устойчивое протекание технологического процесса даже на сильно засоренных полях. Наматывание растительности на рабочие органы не происходило даже при работе на полях покрытых сплошным слоем сорной растительности высотой более 1 метра (см. рис. 3.2). Также были выявлены некоторые недостатки, снижавшие надежность агрегата, которые были устранены путем внесения нижеследующих конструктивных изменений.
Навесная система усилена введением дополнительных косынок, раскоса и распорки, а также за счет уменьшения плеча приложения усилия в нижних тягах за счет уменьшения количества установочных отверстий с трех до одного. Последнее было сделано с учетом того, что использование трех отверстий как способа регулирования глубины хода рабочих органов оказалось малоэффективным. Три отверстия регулировать глубину обработки почвы не позволяли, но приводили к чрезмерному увеличению на пряжений в сварных соединениях, что приводило к их разрушению. Поэтому были внесены конструктивные изменения, направленные на усиление элементов навески, показанные на рис. 3.3.
Рис. 3.2. Разработанное дисковое ротационное почвообрабат дие обеспечивает устойчивое протекание технологического і на сильно засоренных полях
С целью повышения надежности подшипникового уз изменена конструкция оси (см. рис. 3.4). Эти изменения с улучшению смазки подшипников, а также механическому yi реннего подшипника и оси в месте ее сопряжения с фланце ляется опасным сечением оси, за счет увеличения посадочно 5 мм.
Также была усилена стойка диска за счет увеличения до 60 мм, а крутящий момент силы реакции почвы относит тикального участка был снижен путем уменьшения угла отгиба с 30 до 28 (см. рис. 3.5).
В процессе предварительных испытаний стало очевидным неудобство использования специального ключа для регулирования угла атаки дисков. Поэтому в узел регулировки угла атаки были внесены конструктивные изменения, в результате которых регулировка может производиться обычным рожковым ключом размером 55 мм (см. рис. 3.6).
Таким образом, общим результатом двухлетних предварительных исследований явились:
установление принципиальной работоспособности синтезированной схемы дискового ротационного почвообрабатывающего орудия;
доводка отдельных конструктивных элементов орудия, которая позволила получить достаточно работоспособную модель почвообрабатывающего орудия.
Следующим этапом исследований была предусмотрена оптимизация конструктивных параметров, которые оказывают наиболее значимое влияние на агротехнические и технико-экономические показатели работы ДРПА.
Математическая модель производительности агрегата
Производительность агрегата связана с независимыми варьируемыми факторами уравнением регрессии (3.42):Характер зависимости производительности агрегата от варьируемых факторов полностью определяется характером соответствующих зависимостей рабочей скорости ДРПА V с учетом ширины захвата.
Исследование уравнения (3.420) на экстремум не имеет физического смысла по тем же причинам, что и уравнения (3.39). Очевидно, что максимальная производительность будет достигаться при нулевом угле атаки и приемлемая производительность будет определяться ограничениями, которые характеризуют качество обработки почвы. Поэтому необходимо исследовать удельную энергоемкость процесса почвообработки.
Удельная энергоемкость 0Уд процесса обработки почвы адекватно описывается математической моделью:
Статистическая значимость коэффициентов регрессии характеризуется данными таблицы 3.5.П. Данные таблицы свидетельствуют о правомочности использования полученного уравнения регрессии (3.43) для анализа влияния независимых конструктивных факторов ДРПА на удельную энергоемкость процесса обработки почвы.
При уменьшении значений ширины захвата (Х і) от 1 до -1 (в нормализованных значениях) объясняется снижением коэффициента использования мощности двигателя трактора.
" Повышение удельного расхода топлива (г/м3) при уменьшении угла атаки (Хг) от 0 до -1 происходит в связи с увеличением объема необработанной почвы в продольных гребнях и ухудшением качества разделки почвы. С другой стороны, увеличение Хг от центра экспериментирования до +1 приводит к уменьшению гребнистости дна борозды и улучшению разделки почвы.
Но значительное повышение тягового сопротивления приводит к тому, об щий удельный расход топлива возрастает.
Количество рядов дисков Хз неоднозначно влияет на энергоемкость процесса по следующим основным причинам. Уменьшение количества рядов до -1, с одной стороны, приводит к снижению загрузки тракторного двигате щ ля и, следовательно, к уменьшению часового расхода топлива. Но, с другой стороны, повышается гребнистость дна борозды и ухудшается крошение.
Для определения оптимальных значений конструктивных параметров, обеспечивающих минимизацию удельного объемного расхода топлива GVd выполнялось исследование на экстремум функции (3.43):В результате решения системы линейных уравнений (3.45) с помощью функции Isolve пакета математических программ Mathcard (см. приложение 3. .П) получены оптимальные значения конструктивных параметров в нормализованном виде:Фактор Хз может принимать только целые положительные значения. Поэтому рациональное количество дисковых батарей принимаем равным 3 в результате округления оптимального значения Хз до ближайшего целого числа.
Передаточное число трансмиссии Іт трактора Т-15 0К на разных передачах КПП может принимать лишь заданные фиксированные значения, обусловленные особенностями конструкции. Поэтому рациональной является IV передача КПП с передаточным числом трансмиссии im = 37,9 [82].
