Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 10
1.1. Естественно-производственные условия Амурской области . 10
1. 2. Способы и приспособления, повышающие тяговые свойства колёсных тракторов 15
1.3. Техногенное воздействие на почву колёсных тракторов 24
1. 4. Физическая природа процесса взаимодействия колёсного движителя с почвой 30
1.5. Выводы и задачи исследований 44
2. Теоретические исследования 46
2. 1. Сопротивление качению одиночного колеса 46
2. 2. Касательная сила тяги одиночного колеса 57
3. Программа и методика экспериментальных исследований 63
3. 1. Задачи экспериментальных исследований 63
3.2. Общая методика экспериментальных исследований 63
3. 3. Объекты и условия проведения экспериментальных исследований 64
3. 4. Методика определения физико-механических характеристик почвы 67
3. 5. Средства измерений, тарировка 70
3. 6. Методика математической обработки экспериментальных данных 74
4. Результаты экспериментальных и теоретических исследований 78
4. 1. Результаты тяговых испытаний колёсного трактора класса 1,4 78
4. 2. Исследование техногенного воздействия на почву колёсного трактора класса 1,4 84
4. 3. Результаты сравнительных хозяйственных испытаний машинно-тракторного агрегата 87
5. Топливно-энергетический анализ использования машинно-тракторного агрегата 94
Выводы и предложения 99
Список литературы 100
Приложения
- Естественно-производственные условия Амурской области
- Сопротивление качению одиночного колеса
- Задачи экспериментальных исследований
- Результаты тяговых испытаний колёсного трактора класса
Введение к работе
За последние годы в сельскохозяйственном производстве Амурской
области произошли значительные социально-экономические
преобразования. Коренным образом изменились финансовые, экономические и правовые условия хозяйствования. Из-за высоких цен хозяйства области оказались не в состоянии приобретать в нужном количестве новые машины и оборудование. В этих условиях необходимо повысить эффективность использования уже имеющейся сельскохозяйственной техники. Особенно остро этот вопрос стоит в условиях Амурской области. Это обусловлено тем, что около 60% от всего тракторного парка приходится на долю колёсных тракторов. В то же время из-за сложных природно-климатических условий области соотношение колёсных и гусеничных тракторов должно составлять соответственно 40 и 60 процентов. Это обусловлено тем, что основные сельскохозяйственные операции проходят в то время, когда почва имеет слабую несущую способность. Поэтому возникает необходимость повышения тягово-сцепных свойств и снижения техногенного воздействия на почву колёсных тракторов.
Основу тракторного парка России составляют универсально-пропашные тракторы класса 1,4 - свыше 60% [13, 102]. Имея сравнительно высокое давление на почву, данные тракторы, особенно на ранневесенних сельскохозяйственных работах, проваливаясь до мерзлоты, теряют проходимость, оставляя после себя глубокую колею.
В настоящее время вопросу повышения тягово-сцепных свойств и снижения нормального давления на почву посвящен ряд работ [14, 20, 64, 95,103, 163, 170,171, 188, 198].
Как показали исследования, для тракторов класса 1,4 наиболее простым способом повышения тягово-сцепных свойств является установка дополнительных колёс. Это позволяет повысить тягово-сцепные свойства
и снизить нормальное давление колёс на почву. В условиях Амурской области не в полной мере исследованы вопросы эффективного использования тракторов МТЗ-80/82 на сдвоенных колёсах в сельскохозяйственном производстве.
Настоящая диссертационная работа посвящена повышению эффективности использования тракторов класса 1,4 в сельскохозяйственном производстве Амурской области.
Цель исследования. Повышение эффективности использования тракторов класса 1,4 за счёт улучшения тягово-сцепных свойств, увеличение производительности и снижение техногенного воздействия движителей на почву.
Предмет исследования. Процесс взаимодействия с почвой ведущих колёс трактора класса 1,4.
Методы исследований. Для решения поставленных задач -описания процесса взаимодействия колёсного движителя с почвой - были использованы методы теоретической механики. В теоретических и экспериментальных исследованиях использован математический аппарат интегрального и дифференциального исчисления, современные методы обработки экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования проведены в реальных условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники на ранневесенних полевых работах.
Научная новизна. Определена теоретическая зависимость сопротивления качению и касательной силы тяги колеса от физико-механических свойств почвы. Получена номограмма для определения производительности машинно-тракторного агрегата в зависимости от характеристик почвы и буксования трактора.
Практическая значимость работы. Установка дополнительных колёс повышает тягово-сцепные свойства трактора. Использование колёсного трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами на
сельскохозяйственных работах снижает техногенное воздействие на почву за счёт снижения величины буксования и глубины колеи после прохода по полю.
Полученные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют сократить затраты времени и материальных средств при конструировании и доработке конструкций ходовых систем.
Методика экспериментальных исследований применяется на Амурской государственной машиноиспытательной станции при испытании сельскохозяйственной техники. Полученные результаты по уточнению процесса взаимодействия колёсного движителя с почвой используются в учебном процессе на кафедре «Тракторы и автомобили» ИМСХ Дальневосточного государственного аграрного университета (ДальГАУ).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях ДальГАУ (2003-2006гг.); Благовещенского филиала Московской Академии Предпринимательства при правительстве г. Москвы, «Молодёжь XXI века: шаг в будущее (2004 г.); расширенном заседании кафедры «Тракторы и автомобили» ДальГАУ (2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборниках научных трудов ДальГАУ, депонированы в центре информации и технико-экономических исследований агропромышленного комплекса РАСХИ ВНИИЭСХ, в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства».
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 207 наименований (в том числе 9 - на иностранных языках), приложений.
Общий объём - 136 страниц, в том числе 10 приложений, 31 рисунок, 9 таблиц.
Естественно-производственные условия Амурской области
Климат в Амурской области - резко континентальный с признаками муссонности в летнее время. В основных сельскохозяйственных районах зима суровая и продолжительная, с небольшим снежным покровом и низкой температурой воздуха. В самый холодный месяц года - январь -температура колеблется от -24 С до -46 С. Продолжительность зимнего периода составляет 120... 160 дней. На юге глубина промерзания почвы составляет до 2,5 м, а в центральных районах - до 3,5 м. Северные сельскохозяйственные районы области расположены в зоне островной многолетней мерзлоты [162, 179]. Весна в Амурской области - поздняя и затяжная. В весенний период выпадает 7...14 % годовых осадков. В мае и первой декаде июня наблюдаются значительные колебания температуры воздуха в течение суток: днём она повышается до 20...25 С, а ночью может опускаться до +1 С [3, 46, 191]. Лето обычно тёплое, с умеренной сухой погодой в первой половине и влажной - во второй. С апреля по октябрь, в зависимости от зоны, выпадает до 70% годового количества осадков, что вызывает периодическое переувлажнение почвы (табл. 1.1).
В Амурской области выделено пять зон: южная, центральная, северная, северная таёжная и горно-таёжная. Основная часть производства сельскохозяйственной продукции сконцентрирована в южной зоне - 19% всех посевных площадей. Почвенный покров разнообразен и представлен группами бурых лесных, луговых, аллювиальных и болотных почв. В экономике Амурской области сельское хозяйство играет огромную роль - 58% всей пашни Дальневосточного региона сосредоточено в области. Как видно, в 2005 году по сравнению с 1995 годом наблюдалось сокращение размеров посевных площадей в 2,0 раза, в основном за счёт уменьшения посевов под зерновыми культурами в 2,7 раза и кормовыми культурами в 3,2 раза. Сельскохозяйственные предприятия остаются основными производителями зерна (78,5%) и сои (74,7%). Производство картофеля (95,5%о) и овощей (82,8%) сосредоточено в подсобных хозяйствах населения [86, 87, 88, 162, 172, 173, 174].
В структуре производства зерна в 2005 году по сравнению с 2004 годом увеличилась доля овса, ячменя, кукурузы на зерно, гречихи, сократилась - ржи и пшеницы (рис. 1. 2.) [7, 8, 9, 10].
Парк тракторов и сельскохозяйственной техники в сельском хозяйстве продолжает уменьшаться, сохраняется дефицит исправных тракторов и комбайнов. Ремонт имеющейся техники в сложившейся ситуации нередко производится деталями от списанной техники. На начало 2005 года по сравнению с 1996 годом наличие тракторов в сельскохозяйственных организациях снизилось в 2,2 раза, плугов - в 2,8 раза, культиваторов - в 2,9 раза, зерно- и кормоуборочных комбайнов -соответственно в 1,9 и 5,0 раза.
Обновление техники идёт более медленными темпами, чем её списание. В 2005 году сельскохозяйственными предприятиями приобретено 38 новых тракторов, а списано - 205 штук, сеялок приобретено 21, списано - 88, приобретено 52 культиватора, списано - 78, приобретено 19 плугов взамен 72 списанных. Зерноуборочных комбайнов было приобретено 43, списано - 71; один кормоуборочный комбайн пришёл на смену 16 списанным [7, 8, 9, 10].
Обеспеченность сельскохозяйственных организаций тракторами в 2005 году по сравнению с 2004 годом (на 1000 га пашни) сократилась на 2,8%, (с 1996 годом - на 10,3%); зерноуборочными комбайнами обеспеченность увеличилась в 1,5 раза (в 1,7 раза за счёт сокращения посевов зерновых культур) на 1000 га посевов зерновых культур. Кроме того, зерноуборочные комбайны используются на уборке сои [7, 8, 9, 10].
В сложившейся ситуации особенно важна проблема повышения эффективности использования имеющейся техники, и является актуальной задачей. В частности, для колёсных тракторов этого можно достичь за счёт расширения сферы и сроков использования путём повышения тягово-сцепных свойств и снижения нормального давления на почву в период переувлажнения.
Сопротивление качению одиночного колеса
Рассмотрим сопротивление качению одиночного колеса трактора. Под воздействием нормальной нагрузки G колесо продавливает почву до мёрзлого подстилающего слоя на глубину И. Принимаем допущение, что почва упругими деформациями не обладает.
В земледельческой механике В. П. Горячкин указывает, что деформация почвы происходит по нормали к элементам окружности [51, 521. %
При повороте колеса на угол Аа точка обода колеса переместилась из положения Ах в положение А2. Центр колеса переместился по горизонтали на величину гк Аа. За время А/ элементарная площадка dF переместилась по дуге А]А2 (рис. 2. 1.) на величину dS. Элементарное перемещение почвы по дуге АхАг определяется из треугольника АхСхОх (рис.2. 1.) dS угк + ro - 2г,Л cosia + AorУа (2.2)
Под воздействием внешних сил колесо продавливается в почву, образуя колею глубиной h. В результате взаимодействия колеса с почвой на элементарную площадку dF действуют нормальные dN и касательные dT реакции почвы. Нормальные реакции направлены по радиусу колеса (по нормали). Касательные реакции представляют сумму сил скольжения почвы и трения колеса о почву.
При качении колеса в почве возникают реактивные силы под действием ведущего момента Мк. Касательная сила тяги представляет сумму реакций почвы, параллельных поверхности и направленных по вектору движения. Ведущие колёса трактора снабжены почвозацепами, которые сдвигают почву в направлении, обратном движению. Упор почвозацепов, сдвиг, срез «почвенных кирпичей» возможны только при полном использовании сил трения, т. е. когда колесо движется с буксованием. Сцепление колеса с почвой происходит за счёт сдвига «почвенных кирпичей» и за счёт трения срезанных «почвенных кирпичей» относительно почвы.
Более наглядно влияние дополнительных колёс на тягово-сцепные свойства машинно-тракторного агрегата можно проследить по величине буксования (рис. 2. 4.).
Анализ (рис. 2. 4.) показывает, что с повышением тягового усилия величина буксования возрастает. Постановка дополнительных колёс снижает величину буксования трактора со сдвоенными колёсами по сравнению с серийным трактором. Так, при тяговом усилии 12,0 кН буксование серийного трактора составляет 16%, то трактора со сдвоенными колёсами 7%. При дальнейшем повышении тягового усилия рост интенсивной величины буксования у серийного трактора выше по сравнению с экспериментальным.
1 - серийный трактор; 2 - экспериментальный трактор Влияние величины буксования на производительность можно хорошо проследить по номограмме (рис. 2. 5.), из которой видно, что постановка дополнительных колёс позволяет повысить величину производительности.
Сравнивая значение производительности при тяговом усилии 11,8 кН, можно отметить, что производительность серийного трактора составила 3,6 га/ч, а экспериментального - 4,0 га/ч. Постановка дополнительных колёс позволила снизить величину буксования на 11%.
Полученные теоретические зависимости требуют проверки в реальных условиях эксплуатации.
Задачи экспериментальных исследований
Полученные во второй главе аналитические зависимости требуют проверки научным экспериментом. Также экспериментально необходимо определить ряд параметров, входящих в теоретические зависимости. Исходя из вышеизложенного, можно определить следующие задачи исследований: 1. Установить влияние дополнительных колёс на тягово-сцепные качества трактора. 2. Определить производительность колёсного трактора класса 1,4 со сдвоенными колёсами на сельскохозяйственных работах. 3. Исследовать техногенное воздействие на почву колёсного трактора со сдвоенными колёсами. 4. Дать топливно-энергетическую оценку использования трактора МТЗ-82 со сдвоенными колёсами.
Экспериментальные исследования могут быть проведены в лабораторных и полевых условиях. Проведение всего комплекса испытаний в лабораторных условиях на натуральных образцах машин (в данном случае трактор «МТЗ-82») является невозможным. Проведение экспериментальных испытаний на моделях также имеет ряд недостатков.
Во-первых, невозможность создания почвенного слоя с физико-механическими характеристиками, количественно и качественно подобными реальным полевым условиям. Во-вторых. Трудности в сопоставлении результатов исследований модели и машин натуральной величины.
При выполнении различных сельскохозяйственных работ экспериментальный трактор со сдвоенными колёсами комплектовался агрегатами, обычно используемыми в Амурской области. Установка сдвоенных колёс осуществлялась с помощью приспособления (рис. 3. 4.).
Экспериментальные исследования проводились в крестьянско-фермерском хозяйстве «Жуковин А. Т.», «Лейко В. А.», «Ковалёв С. В.», «Волошин В. К.» Ивановского района Амурской области. Почвы данного хозяйства являются типичными для Амурской области: луговые черноземовидные с механическим составом - тяжёлый суглинок. Для проведения испытаний выбирались горизонтальные участки с углом наклона не более двух градусов и с ровным микрорельефом. Длина гона 1050 метров. 3. 4. Методика определения физико-механических характеристик почвы Физико-механические свойства почвы определялись в соответствии с методикой, разработанной Всероссийским институтом механизации [194]. При этом замерялись следующие показатели: влажность, плотность почвы (объёмный вес), твёрдость, глубина колеи.
Твёрдость почвы определялась при помощи твердомера конструкции Ю. Н. Ревякина. В грунт вдавливался наконечник определённой площади, и на миллиметровой бумаге при помощи регистрирующего устройства записывалась диаграмма твёрдости почвы (рис. 3. 6.). Рис. 3. 6. Определение твёрдости почвы при помощи твердомера конструкции Ю. Н. Ревякина
При проведении экспериментальных исследований неизбежно встречаются три вида ошибок: систематические, случайные и грубые. Для математической обработки и обоснования аналитических выводов можно использовать лишь те результаты полученных экспериментальных данных, которые не содержат грубых и односторонних систематических ошибок.
Математическая обработка экспериментальных данных выполнена современными методами теории вероятностей и математической статистики [37].
Определяемые экспериментальные данные являются случайными величинами. Любое значение искомого параметра, определённое при ограниченном числе опытов, содержит элемент случайности. Приближённое числовое значение принято называть оценкой параметра. Основными числовыми характеристиками случайной величины являются дисперсия и математическое ожидание. Дисперсия характеризует разброс опытных данных относительно математического ожидания, а математическое ожидание в свою очередь характеризует положение случайной величины на числовой оси.
При экспериментальном определении значения параметра кроме точечной оценки необходимо знать надёжность и точность. Наиболее актуально это при малом числе измерений. Для определения точности и надёжности измерений используются доверительные интервалы и доверительные вероятности.
Таким образом, точность измерений определяется S -выборочным средним квадратическим отклонением, охватывающим неизвестный параметр с надёжностью р -\-а. В инженерных расчётах значение доверительной вероятности р = 0,95 является достаточным.
Результаты тяговых испытаний колёсного трактора класса
Тяговая характеристика является основным исходным материалом для расчётов по агрегатированию трактора на различных сельскохозяйственных операциях.
Тяговые качества трактора проявляются в результате взаимодействия его движителя с опорной поверхностью. Поэтому физико-механические свойства почвенного слоя в значительной степени определяют его тягово-сцепные, а следовательно, агротехнические и технико-экономические показатели трактора.
Из механических свойств наиболее существенным для оценки тяговых качеств трактора является сопротивление почвы смятию и сдвигу. Как показали теоретические исследования, повысить тягово-сцепные свойства колёсного трактора класса 1,4 можно за счёт постановки дополнительных колёс. Тяговые испытания серийного трактора и трактора с дополнительными колёсами были проведены в реальных условиях эксплуатации. Испытания проводились на поле, которое по своим качествам удовлетворяло требованиям ГОСТа. На экспериментальном участке почва по механическому составу - тяжёлый суглинок. Влажность почвы находилась в пределах 24...28%. Тяговые испытания трактора проводились на четырёх основных передачах, которые применяются на основных сельскохозяйственных работах. Тяговое усилие на крюке испытываемого трактора создавалось путём торможения его другим трактором. Изменяя передачу и обороты двигателя загрузочного трактора, достигали различной нагрузки на крюке испытываемого трактора.
Постановка дополнительных колёс позволила снизить величину буксования при одном и том же тяговом усилии. Так, при тяговом усилии 13 кН буксование серийного трактора составило 14%, в то время как у трактора со сдвоенными колёсами - 8%. По мере роста тягового усилия буксование серийного трактора резко возросло, и при тяговом усилии 14,1 кН оно составило 26%, а у трактора со сдвоенными колёсами - 10%. Таким образом, постановка сдвоенных колёс позволяет снизить величину буксования трактора. Если сравнить тяговые усилия трактора при одном и том же буксовании, то можно отметить, что тяговое усилие, развиваемое трактором со сдвоенными колёсами, больше по сравнению с серийным. Так, при буксовании 10%» тяговое усилие трактора со сдвоенными колёсами составило 14,1 кН, в то время как у серийного трактора тяговое усилие составило 9 кН, т. е. почти на 50%) меньше. Это говорит о том, что постановка дополнительных колёс на трактор позволяет повысить его тягово-сцепные свойства.
Анализ рабочих скоростей на различных передачах позволяет сделать следующие выводы, что постановка дополнительных колёс позволяет увеличить рабочую скорость трактора. Так, на третьей передаче при тяговом усилии 13 кН рабочая скорость составила 1,4 м/с, в то время как у трактора со сдвоенными колёсами она составила 1,8 м/с. Аналогичные результаты получены и на других передачах. На четвёртой ч
передаче при тяговом усилии 11 кН рабочая скорость составила соответственно 1,9 м/с и 2,4 м/с. На пятой передаче при тяговом усилии 9 кН соответственно 2,4 м/с и 3,3 м/с.
Анализ тяговых мощностей на различных передачах позволяет сделать вывод, что у трактора со сдвоенными колёсами тяговая мощность выше. Так, на третьей передаче при тяговом усилии 13 кН тяговая мощность серийного трактора составила 18 кВт, в то время как у экспериментального - 23,1 кВт, что в процентном выражении на 28%) выше серийного. Аналогичные результаты получены и на других передачах. На четвёртой передаче при тяговом усилии 11 кН тяговая мощность составила соответственно 21 кВт и 26 кВт, что на 23%» больше. На пятой передаче при тяговом усилии 9 кН соответственно 21,6 кВт и 27,7 кВт (28% ). На шестой передаче при тяговом усилии 8 кН соответственно 20,8 кВт и 26,0 кВт, что на 25%) выше серийного трактора.
Таким образом, постановка дополнительных колёс позволила повысить скорость движения на всех передачах на 26...28%), а тяговую мощность на 25...27%) по сравнению с серийным трактором.
Распределение составляющих мощностного баланса серийного трактора и экспериментального со сдвоенными колёсами при максимальной тяговой мощности приведено на диаграммах 4. 2, 4. 3. Из диаграмм (рис. 4. 2 и 4. 3) видно, что при максимальной тяговой мощности произошло перераспределение составляющих мощностного баланса у серийного и экспериментального трактора. Тяговая мощность и мощность, затрачиваемая на качение экспериментального трактора, возросла соответственно с 31,57% до 40,37% и 45,64% до 47,36% по сравнению с серийным трактором. В то же время произошло снижение мощности, затрачиваемой на буксование, у экспериментального трактора по сравнению с серийным с 15,78%) до 5,26% .
Почва - верхний плодородный слой, состоящий из различных минеральных частиц, частиц органического происхождения, между которыми имеются поры, заполненные воздухом и влагой с различными растворимыми в ней питательными веществами. Наряду с этим почва являетря не только средой для выращивания сельскохозяйственных растений, но и основанием, по которому передвигается различная сельскохозяйственная техника. При передвижении по полю ходовые аппараты машин раздавливают и растирают почвенные агрегаты, уплотняют верхний плодородный слой, оставляют после себя колею, что затрудняет дальнейшую обработку почвы и снижает урожайность сельскохозяйственных культур по следу движения.
Для выяснения воздействия на почву ходовых систем тракторов были проведены экспериментальные исследования с трактором МТЗ-82 на одинарных и сдвоенных колёсах, работающим на поле, подготовленном под посев с влажностью 22...24%.
Плотность почвы определялась методом режущего цилиндра, который забивался в почву. Известно, что плотность (объёмный вес) почвы зависит от минералогического состава, содержания гумуса, а также от степени уплотнения почвы ходовыми системами тракторов, автомобилей и различной сельскохозяйственной техники. Результаты экспериментальных исследований но определению плотности почвы приведены на рисунке 4.4.
