Содержание к диссертации
Введение 9
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 15
1Л. Методологические основы прогнозирования и развития мо бильных сельскохозяйственных агрегатов и систем 16
1.2. Требования к обработке почвы и принципы классификации рабочих органов. 24
1.3. Требования к выполнению технологических операций с использованием почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами 28
1.3. L Назначение технологических операций 31
1-3-2- Условия применения 32
1.3.3. Предшественники, предшествующие и последующие операции 34
1.3.4. Качественные показатели выполнения операций 35
1.3.5. Технологические требования к конструктивным схемам и параметрам машин 39
1.4. Особенности основной обработка почвы на склонах 43
1.4.1. Краткий анализ технологических и агротехнических приемов по борьбе с водной эрозией почв при вспашке склонов 43
1.4.2. Исследование факторов, вызывающих смещение пахотного слоя вниз по склону. > 49
1.4.3. Анализ работы предплужников при основной обработке почвы на склонах 57
1.4-4. Конструктивные схемы активного предплужника для обра ботки склонов 65
1.5. Технологические особенности возделывания картофеля на гребнях 70
1.5Лн Предпосадочная подготовка почвы 70
1.5.2. Способы формирования гребней 16
1.53. Гребнеобразующие рабочие органы 19
1.6. Обзор научно-исследовательских работ по ротационным почвообрабатывающим рабочим органам 88
1.7. Классификация рабочих органов почвообрабатывающих машин по степени свободы движения (ССД) 95
1.8. Постановка проблемы, цели и задач исследования 101
Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РОТАЦИОННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ВИНТОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 106
2.1. Агротехническое обоснование параметров конструкции 106
2.1.1. Оптимизация формы, параметров гребня и гребнеобразования 106
2.1.2.Описание имитационной модели гребня 108
2.1.3. Разработка математической модели гребня 109
2.1.4. Определение технологических параметров гребнеобразования 113
2.1.5. Агротехническое обоснование параметров конструкции бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом в качестве ак тивного предплужника 119
2.1.6- Определение ширины захвата активного предплужника 120
2.2. Общие уравнения винтовых рабочих поверхностей 123
2.2.1. Вводные замечания 123
2.2.2. Уравнение рабочей поверхности 125
2.3. Уравнения кинематики ротационных почвообрабатывающих активных рабочих органов 134
2.3.1. Уравнение преобразования 134
2.3.2. Уравнения кинематики ротационных почвообрабатывающих машин с винтовой поверхностью 133
2.3.3. Траектория ножа и параметры стружки 139
2.3.4.Скорость лезвия ножа 142
2.3.5. Длины траектории резания 144
2.3.6. Кинематика активных рабочих органов с конволютной винтовой поверхностью 148
2.4. Кинематика и основные параметры активных гребнеобразующих и бороздообразующих рабочих органов с элементами винтовой по верхности 151
2.4.1.Кинематика гребнеобразугощего рабочего органа 151
2.4.2. Основные параметры и режимы работы гребнеобразователя 154
2.4.3. Форма и параметры стружки 161
2.5. Кинематика бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом для работы в качестве предплужника 163
2.5.1. Уравнения движения , 163
2.5.2. Скорость режущей кромки ножа и подрезанной почвы бороздообразующей лопастью с винтовым режущим элементом 166
2.5.3. Определение режима бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом при работе в качестве предплужника 168
2.5.4. Объем деформированной почвы 170
2.6. Определение оптимального угла установки рабочего органа 174
2.7. Обоснование скорости взаимодействия ротационных рабочих органов почвой 179
ГЛАВА 3. СИЛОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АКТИВНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ВИНТОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 186
3.1. Силовые характеристики секции гребнеобразующего рабочего органа 186
3.2. Энергетические показатели культиватора с универсальными активными рабочими органами 190
3-3, Определение силовых и энергетических параметров бороздообразующей лопасти с винтовым режущим элементом при работе в качестве предплужника 194
3.3.1 Анализ взаимодействия лопасти предплужника с почвой 194
3.3.2. Методика расчета момента сопротивления на валу рабочего органа и усилий на отрезание почвенной стружки 196
3.3.3. Расчет мощности и составляющих усилий резания, действующих на ротор при взаимодействии одной лопасти с винтовым режущим элементом с почвой 205
3.3.4. Расчет мощности и усилий, действующих на ротор, оснащенный активными лопастями с винтовыми режущими элементами. 207
3.3-5. Уточнение параметров конструкции и режима работы ротора, оснащенного активными лопастями с винтовыми режущими элементами 214
3.3.6. Методика выбора схемы размещения Г-образных ножей на барабане ротационной почвообрабатывающей машины 216
Глава 4. ДИНАМИКА ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РОТАЦИОННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН 223
4. L Подталкивающее действие рабочих органов 224
4.2. Динамический анализ работы ротора малогабаритной почвообрабатывающей фрезы (на примере ФС-0,85) 227
4.3. Влияние защитного кожуха на тяговое сопротивление ротационной почвообрабатывающей машины 239
4.4. Зависимость тягового сопротивления от формы кожуха 245
4.5. Уравнения движения отбрасываемых частиц по поверхности ножа 247
4.6. Динамика трансмиссии ротационных почвообрабатывающих машин 251
4-6.1. Особенности работы силового привода 251
4.6.2. Методы определения моментов инерции и жесткости элемен тов трансмиссии и барабана фрезы 253
4-6.3. Составление эквивалентной схемы крутилыто-колеблющейся системы силового привода барабана фрезы 265
4.7. Определение собственных частот крутильных колебаний трансмиссии фрезы 267
4.8. Переходные процессы в системе силового привода 271
4.9. Математическая модель почвенной фрезы 273
4Л0. Колебательные явления в механизмах привода почвообрабатывающих фрез 278
4.11 Влияние гироскопического эффекта на устойчивость работы почвообрабатывающей фрезы 286
Глава 5. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОТАЦИОННЫХ АКТИВНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ И ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН 292
5.1. Программа экспериментальных исследований 292
5.L1. Лабораторные исследования 292
5 Л .2- Полевые исследования 293
5.2. Конструкции установок и методика проведения экспериментов 296
5.2.1. Лабораторные исследования моделей рабочих органов на малом почвенном канале 296
5.2.2. Лабораторные исследования рабочих органов в почвенном канале 301
5.2.3. Лабораторно-иолевые исследования 315
5.3. Методика обработки экспериментальных данных 323
53.L Обработка осциллограмм 323
5.3.2. Обработка результатов измерений, произведенных с ЭМА-ПМ 325
5.4. Оценка погрешностей результатов измерений 326
5.5. Методика определения энергетических показателей 328
5.5.1. Определение энергетических показателей в почвенном канале 328
5,5.2» Определение энергетических показателей агрегатов в полевых условиях 329
Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННЫХ АРО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН 333
6.1- Лабораторные исследования 333
6.1.L Анализ результатов исследований моделей активных рабочих органов 333
6 Л .2, Исследование влияния конструктивных и кинематических режимов рабочих органов пропашного культиватора на энергоемкость фрезерования 334
6.! .3, Характер взаимодействия лопасти предплужника с почвой , 352
6Л А Влияние угла постановки большой полуоси лопасти к плоскости вращения малой на энергетические показатели 355
6Л .5. Влияние кинематического показателя (подачи на нож) на силовые и энергетические показатели 357
6.1.6. Оптимизация режима работы активного предплужника в лабораторных условиях (без установки направляющего кожуха) 358
6.1.7. Влияние глубины обработки на силовые и энергетические показатели активного предплужника 363
6А .8. Зависимость коэффициента отбрасывания от абсолютной скорости частиц почвы 365
6Л.9. Силы, действующие на Г-образные рабочие органы 367
6Л ЛО. Характер изменения нагрузки на валу ротора 375
6Л Л1. Влияние режимов работы на отбрасывание почвенных частиц и тяговое сопротивление 383
6 Л Л 2, Динамические характеристики лабораторной фрезерной установки 3 89
6.2. Лабораторно-полевыс эксперименты 392
6.2.1 Сравнительная оценка работы плуга с активными и пассивными предплужниками в полевых условиях 392
6.2.2- Сравнительная оценка пропашного фрезерного почвообраба тывающего агрегата для нарезки гребней и окучивания картофеля 401
6.2.3. Статистическая оценка работы агрегата с ротационной почвообрабатывающей машиной с активными рабочими органами 410
6.3- Технико-экономические показатели работы комбинированных почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами 416
6.3.1. Комбинированный культиватор с универсальными рабочими органами 416
6.3.2, Комбинированный леметано-отвальный плуг с активными предплужниками для вспашки склонов 418
Общие выводы и рекомендации 420
Литература 424
ПРИЛОЖЕНИЯ 459
Приложение 1. Документы 459
Приложение 2- Фрагменты экспериментальных исследований 474
Приложение 3. Авторские свидетельства и патенты 492
Приложение 4. Текст программы VINT 506
Приложение 5. Тарировочные графики и таблицы результатов экс периментальных исследований 513
Приложение 6.1. Расчет экономической эффективности культива тора с универсальными рабочими органами при возделывании картофеля 533
Приложение 6.2- Расчет экономической эффективности лемешного 539
плуга с активными предплужниками для вспашки склонов
Приложение 7. Тензоизмерительная аппаратура для исследования гребнсобразующих рабочих органов 542
Введение к работе
В последние годы идет активное внедрение в сельскохозяйственное производство современных энергосберегающих технологий, а также комбинированных почвообрабатывающих машин для их реализации. Ежегодно появляются новые конструкции машин с оригинальными рабочими органами. Они могут одновременно выполнять большое число технологических операций, однако становятся более громоздкими. Расширяются функциональные возможности машин, усложняется конструкция, увеличивается масса. Также во всех развитых странах мира ведутся поиски новых технологических приемов обработки почвы, направленных на защиту ее от эрозионных процессов, сохранение и повышение плодородия, сокращение расхода горючего, трудовых и денежных затрат. Апробированы и широко внедряются различные приемы минимализации обработки почвы, а также получает распространение частичная замена отвальной вспашки безотвальным рыхлением [173? 292].
Основным требованием, предъявляемым к почвообрабатывающим машинам, которые используются при интенсивной технологии возделывания сельскохозяйственных культур, является возможность их применения в различные агротехнические сроки. Наиболее перспективны для этого комбинированные машины и фрезы, которые способны за один проход агрегата подготовить почву в соответствии с агротехническими требованиями. Более полно, особенно на тяжелых почвах, этим требованиям отвечают фрезерные культиваторы. Их внедрение в традиционную систему обработки почвы значительно изменило ее в сторону минимализации воздействия рабочих органов на почву и обеспечило возможность создания на их базе комбинированных машин. Однако в России фрезерные почвообрабатывающие машины стали необоснованно вытесняться из сельскохозяйственных предприятий. По нашему мнению, одной из причин этого является отсутствие в стране предприятий, способных производить надежную и современную технику. Заметно снизился интерес и научной общественности к проблеме создания современных высоконадежных фрезерных почвообрабатывающих машин. Между тем во многих странах, особенно западно европейских, они занимают особое место сельскохозяйственном производстве, в частности в системе предпосевной подготовки почвы и обработке посевов пропашных.
Исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что по эффективности обработки почв, особенно тяжелых по механическому составу, ротационные почвообрабатывающие машины не имеют равных. Большинство зарубежных фирм выпускают фрезерные почвообрабатывающие машины как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения для тракторов различной мощности, которые могут использоваться в сельскохозяйственных предприятиях с различными размерами, условиями производства и возможностями приобретения техники. Ширина захвата этих машин варьируется в пределах 0,2,..9 м, а мощность 0.,38..-217,4 кВт (0,5...300 л. с). Однако высокая энергоемкость процесса фрезерования почв, большие динамические нагрузки элементов привода механизмов отбора мощности (MOM) тракторов и самих машин снижают их технологическую и техническую надежность, ограничивают повсеместное применение.
Анализ существующих технических средств, их классификаций и математических моделей технологических процессов позволил выявить тенденции совершенствования фрезерных почвообрабатывающих машин. Наиболее перспективными являются комбинированные фрезерные почвообрабатывающие машины с пассивно-активными рабочими органами. Из многообразия активных рабочих органов (АРО) следует выделить ножи с винтовыми и аналогичными эллипсовидными рабочими элементами, которые закрепляются на валу фрезерного барабана. Для малогабаритных фрез перспективно введение в механизм привода аккумуляторов кинетической энергии, которые сглаживают колебание нагрузки в приводе и позволяют уменьшить потери (десипацию) энергии, вызываемой цикличной работой отдельных ножей.
Подготовка почвы к посеву связана с ее рыхлением, перемещением, выравниванием, подрезанием сорняков и созданием семенного ложа. Все эти операции, кроме последней, рабочий орган почвообрабатывающей фрезы выпол няет в ходе взаимодействия с почвой одновременно и с высокой скоростью. Определенную дестабилизацию этому процессу придает его цикличность и постоянное изменение сопротивления среды в период взаимодействия. Последовательная работа нескольких ножей, вызывает колебания крутящего момента в механизме их привода. Уменьшение амплитуды колебаний связано с взаиморасположением и конструктивным исполнением рабочих элементов, их креплением на дисках вала фрезобарабана.
Уточнению взаиморасположения ножей на валу фрезобарабана посвящены работы И. М. Панова[227], В. А, Воробьева, О. С. Марченко[61], В. Зо-не[362], Г. Бернацки [358]. Однако в этих исследованиях не учитывается период взаимодействия отдельного ножа, продолжительность отрезания почвенной стружки, не уточняется механизм фиксации ножа на валу фрезобарабана, не даются рекомендации по снижению колебаний нагрузки в процессе отрезания почвенной стружки за счет создания рабочих органов с винтовыми и элипсо-видными рабочими элементами.
С другой стороны, для малогабаритных фрез (садовых, тепличных и др.), имеющих небольшое количество ножей, оптимизация взаиморасположения не решает проблемы снижения неравномерности колебания нагрузки на валу привода. Установка динамических гасителей вызывает сброс энергии к элементам муфт, способствует их нагреву. Нами предложено для повышения стабильности вращения вала ротора использовать кинетический аккумулятор энергии [230,231, 232,]. Его установка, особенно на малогабаритных фрезах, значительно повышает эффективность работы [309, 323, 324, 325 и др.].
Стандартный подход к выбору конструктивно-технологических параметров АРО является причиной их высокой энергоемкости, низкой производительности, слабой надежности, что сдерживает их повсеместное применение. Поэтому изыскание путей сокращения энергетических, трудовых и материальных затрат при обработке почв с использованием приводных РПМ является актуальной и важной хозяйственной проблемой.
Другим не менее важным вопросом, связанным с созданием комбинированных РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями, негативно влияющим на качественные и технические показатели работы МТА, является отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для определенных условий функционирования, получения силовых, энергетических параметров.
Цель исследования. Повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин путем оптимизации конструктивно-технологических параметров ротационных активных рабочих органов по критериям качества выполнения работы, энергосбережения, динамической загруженности и устойчивости.
Научную новизну работы составляют:
- классификация рабочих органов почвообрабатывающих машин по степени свободы движения;
- принципы оптимизации параметров формирования гребней при возделывании картофеля;
- методология, аналитические методы и программное обеспечение расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, их силовых и энергетических характеристик, оптимального угла установки лезвия ножа;
- математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;
- методика качественного анализа силового взаимодействия активных рабочих органов с почвой;
- аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие на стадии проектирования вьшвить и снизить энергозатраты на отбрасывание почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез;
- результаты экспериментальных исследований опытных образцов активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;
Новизна разработанных технических решений подтверждается 9 авторскими свидетельствами и патентами на оборудование, рабочие органы и почвообрабатывающие машины.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Классификация почвообрабатывающих рабочих органов по степени свободы движения.
2. Оптимизационная модель формирования гребней, расчета ее параметров при возделывании картофеля и синтеза АРО с винтовыми элементами.
3. Методология, аналитические методы и программное обеспечение для расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, силовые и энергетические характеристики АРО, фрезерных культиваторов различного функционального назначения и активного предплужника.
4. Математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.
5. Модель взаимодействия активных рабочих органов с почвой.
6- Аналитические и экспериментальные зависимости по моделированию отбрасывания почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез, позволяющие на стадии проектирования выявлять и снижать энергозатраты на этот процесс,
7. Методы, математические модели и технические решения по снижению пиковых динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.
8. Результаты экспериментальных исследований оригинальных конструкций опытных образцов почвообрабатывающих машин.
В работе отражены результаты многолетней работы автора в соответствии с планом научных исследований ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н- П. Огарёва» по проблеме, координируемой в соответствии с:
- федеральной научно-технической «Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развитию агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 годы» (по проблеме 09 «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентноспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса в сельском хозяйстве», задание 09,01.);
- региональной научно-технической программой научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ в Нечерноземной зоне России в 1986 - 1990 годах и на период до 2000 года (программа «Агрокомплекс»);
- единым заказ-нарядом Министерства образования Российской Федерации по госбюджетной темам №53/15-89 «Оптимизация технологических процессов и параметров почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами» и 53/8-93 - «Повышение технического уровня ротационных почвообрабатывающих машин»;
- программой развития АПК Республики Мордовия до 2010 года.
Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук профессорам Владимиру Ивановичу Медведеву и Петру Петровичу Лезину, кандидату технических наук, профессору Александру Ивановичу Лещанкину, сотрудникам кафедры сельскохозяйственных машин ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева», чьи полезные советы способствовали созданию и улучшению содержания диссертации.
