Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 13
1.1. Влияние движителей колесных тракторов на агрофизические свойства почвы и урожайность возделываемых культур 13
1.1.1. Природно-климатические условия Северо-Востока европейской части России 13
1.1.2. Оптимальные значения агрофизических свойств почвы для сельскохозяйственных культур 14
1.1.3. Влияние движителей колесных тракторов на агрофизические свойства почвы и урожай возделываемых культур 17
1.1.4. Факторы, влияющие на уплотнение почвы, при воздействии на нее движителей тракторов 27
1.1.5. Оценочные показатели воздействия ходовых частей тракторов на почву 40
1.2. Влияние физико-механических свойств почвы натягово-сцепные и энергетические показатели тракторов 43
1.2.1. Анализ закономерностей деформирования почвы 43
1.2.2. Деформирование эластичных движителей колесных тракторов в процессе взаимодействия с почвой в реальных условиях 54
1.2.3. Соотношения параметров качения эластичного колеса по опорной поверхности 58
1.2.4. Тягово-сцепные свойства и энергетические показатели колесных тракторов при движении по почве, подготовленной под посев 63
1.2.5. Анализ методов снижения и устранения уплотняющего воздействия движителей мобильных технологических средств на почву 70
1.3. Задачи исследований 77
2. Теоретические предпосылки снижения уплотняющего воздействия на почву движителей колесных тракторов и энергозатрат на их передвижение 80
2.1. Обоснование снижения непроизводительных энергозатрат тракторов в растениеводстве 80
2.1.1. Обобщенный метод определения площади поля, контактирующей с движителями МТА 80
2.1.2. Оценка сохранности агрофизических свойств почвы 84
2.1.3. Преобразование энергетических потоков в колесном сельскохозяйственном тракторе 89
2.2. Основы теории плоского качения колеса машины по опорной поверхности 92
2.2.1. Колесо в системе "машина -опорная поверхность" 92
2.2.2. Режимы и причинно-следственная связь процесса качения колеса 95
2.2.3. Характеристики сопротивления качению колеса 108
2.2.4. Буксование и юз колеса 112
2.3. Характеристики взаимодействия "движитель-почва" 121
2.3.1. Механические параметры почвы 121
2.3.2. Деформация почвы под штампами 127
2.3.3. Показатели деформирования шины 132
2.3.4. Влияние эксплуатационных факторов работы тракторов
на процесс взаимодействия их движителей с почвой 136
2.4. Энергозатраты тракторов на передвижение по почве 140
2.5. Выводы по второму разделу 142
3. Особенности методики эксперементальных исследований 145
3.1. Объекты исследования 145
3.2. Краткая техническая характеристика стандартных приборов и оборудования 145
3.3. Характеристика и особенности нестандартных приборов и приспособлений, использовавшихся в опытах, их тарировка 147
3.4. Приспособления для проведения лабораторных опытов 152
3.5. Методика проведения лабораторных опытов 155
3.6. Методика полевых экспериментов 158
3.7. Методика проведения агротехнических исследований 164
3.7.1. Методика полевых моделированных опытов 164
3.7.2. Методика проведения полевых опытов в производственных условиях 167
3.7.3. Определение эффективности использования тракторов МТЗ-102 с широкозахватными и комбинированными машинами при возделывании картофеля 167
3.8. Математические методы планирования и анализа факторных экспериментов 168
4. Результаты лабораторных исследований 173
4.1. Выбор оптимальных параметров ведущего колеса по сохранности агрофизических свойств почвы 173
4.2. Номографическое исследование моделей 175
4.3. Результаты исследований влияния ведущего колеса на изменение коэффициента сохранности агрофизических свойств почвы 179
4.4. Изменение физико-механических свойств дерново-подзолистой почвы от нормальных давлений 179
4.5. Определение зависимости боковых и нормальных напряжений в почве от вертикальных нагрузок 188
4.6. Сопротивления почвы сжатию 190
4.7. Деформируемость почвы под штампами 193
4.8. Деформация и жесткость шин ведущих колес тракторов тягового класса 1,4 202
5. Результаты полевых опытов 213
5.1. Параметры тракторов МТЗ-82 и МТЗ-102 213
5.2. Площадь поля, контактирующая с движителями тракторов при возделывании ярового ячменя и картофеля 214
5.3. Изменение коэффициента сохранности агрофизических свойств почвы под воздействием ходовых систем тракторов 224
5.4. Влияние эксплуатационных факторов трактора тягового класса 1,4 на распределение напряжений в почве и в шине 229
5.5. Деформация почвы при воздействии на нее движителей тракторов тягового класса 1,4 245
5.6. Изменение плотности почвы в зависимости от климатических факторов 255
5.7. Анализ результатов тяговых испытаний тракторов и их энергетическая оценка 257
6. Результаты агротехнических исследований 273
6.1. Изменение агрофизических свойств почвы под воздействием ведущих колес трактора МТЗ-80 273
6.2. Урожайность ярового ячменя, картофеля и многолетних трав в модельных опытах 279
6.3. Результаты производственных опытов 288
Общие выводы и предложения 295
Литература 299
- Оптимальные значения агрофизических свойств почвы для сельскохозяйственных культур
- Обобщенный метод определения площади поля, контактирующей с движителями МТА
- Приспособления для проведения лабораторных опытов
- Изменение физико-механических свойств дерново-подзолистой почвы от нормальных давлений
Оптимальные значения агрофизических свойств почвы для сельскохозяйственных культур
Агрономически важными показателями свойств почвы, подверженными изменению от воздействия движителей тракторов, являются структура, плотность, пористость аэрации, водопроницаемость.
Необходимо отметить, что для почвы конкретного состава величина плотности (объемной массы) является в известной степени интегральным показателем ее физического состояния. Поэтому в различных исследованиях определяют оптимальные величины плотности, при которых получают наибольший урожай сельскохозяйственных культур. Так, при возделывании зерновых на дерново-подзолистых почвах оптимальная плотность почвы должна быть (1,10...1,35)-103 кг/м3 [15, 70, 84, 114, 286]. Наилучшие урожай картофеля на указанных почвах получают при ее плотности (1,05... 1,15)-103 кг/м3 [109, 125, 126, 220, 330, 358]. Однако в [283] сообщается, что в годы с нормальным и недостаточным увлажнением в пахотном слое дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы оптимальная плот-ность для ячменя была равна (1,2...1,25)-10 кг/м , а при повышенном увлажнении диапазон оптимальных плотностей несколько сдвинулся на числовой оси влево и был равен (1,1...1,2)-103 кг/м3.
В общем случае рост плотности с превышением определенного уровня приводит к значительному или резкому ухудшению водно-воздушного режима и агрофизических свойств почвы. В исследованиях [312] установлено, что с ростом плотности дерново-глеевой тяжелосуглинистой почвы до 1,3-103 кг/м3 количество пор аэрации снижается до критического уровня. При плотности {1,43... 1,5)-103 кг/м3 количество некапиллярных влагопроводящих пор близко к нулю и значительно (в 1,33 раза) уменьшается доступная для растений влага, несмотря на то, что полевая влагоемкость увеличивается с 30 до 40 %.
Наилучшие условия для роста и развития культурных растений на дерново-подзолистых почвах создаются при общей пористости пахотного слоя 53...63%) (21...26% некапиллярных и 32...37% капиллярных пор от объема почвы). Оптимальный водно-воздушный режим наблюдается при наличии 21...26% воздуха от объема почвы, т.е. когда некапиллярные поры заняты воздухом, а капиллярные - водой при наилучшем их соотношении.
Оптимальной почва по структурному составу является та, у которой до 90% размер фракций находится в диапазоне с ёфР = 0,25...10 мм. [106, 297,316].
Из-за возрастания интенсификации сельскохозяйственного производства, связанной с увеличением числа и массы машин, проходов их по полю возникла проблема переуплотнения почв в результате механического воздействия на нее движителей различной техники [181]. В результате происходит уменьшение пористости почвы, ухудшается в ней воздухообмен, водопроницаемость и биологическая активность.
В сильной степени уплотняющее воздействие ходовых систем тракторов на почву определяется ее влажностью [324], так как весной в зависимости от просыхания почва изменяет механические характеристики от вязкой через пластическую до упругой. Для условий Кировской области характерны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы, которые занимают до 80% посевных площадей. Результаты несущей способности таких почв [197, 198, 203] в зависимости от влажности представлены на рис. 1.1. Из рисунка видно, что точки перегиба являются пределом несушей способности почвы. Следовательно, необходимо стремится к тому, чтобы полевые работы проводились на почвах, обладающих упругими или упру-гопластичными свойствами. A.M. Кононов [158] ввел понятие "агротехническая проходимость" для оценки ходовых частей тракторов с позиций уплотняющего воздействия на почву. Разработанные им методы определения характеристик процессов, происходящих в системе "движитель - почва", позволили установить, что движители тракторов, воздействуя на почву, ухудшают ее агрофизические свойства и, в конечном итоге, влияют на урожайность сельскохозяйственных культур.
Обобщенный метод определения площади поля, контактирующей с движителями МТА
Анализ использования колесных универсально - пропашных тракторов тягового класса 1,4 в растениеводстве показал, что их эффективность в производстве сельскохозяйственной продукции низкая, уплотняющее воздействие на почву и энергозатраты на передвижение значительны.
Накоплено большое количество экспериментальных данных о тяго-во-сцепных свойствах колесных тракторов в различных почвенных условиях, а также об уплотнении и распылении почв при перемещении по ним сельскохозяйственных машин. Однако подходы для описания взаимодействия эластичных движителей с почвой различны и нет единого мнения о влиянии эксплуатационных и конструктивных параметров колесных тракторов на их энергетические показатели и уплотняющее воздействие на почву при возделывании сельскохозяйственных культур.
Характер изменения агрофизических свойств почвы также зависит от площади и кратности воздействия на нее движителей машин. Учет и оценка уровней этого воздействия и связанное с ним снижение урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур у многих исследователей различно.
Наиболее важно в прикладном отношении задача теории качения эластичного колеса по почве решается без учета причинно - следственной связи его силового преобразующего свойства в различных режимах качения, а кинематика и динамика качения колеса рассматриваются на отдельных схемах или моделях. Поэтому связь силовых и кинематических параметров, а также характеристики сопротивлению качению эластичного колеса недостаточно раскрыты.
Особое место в теории взаимодействия колесных движителей с почвой занимает вопрос о закономерности распределения напряжений в шине и в почве в пятне контакта ведущего колеса с почвой, так как от них зависят тягово-сцепные свойства, сопротивление качению и уровень уплотняющего воздействия на почву. Однако по закономерностям распределения этих напряжений в зависимости от эксплуатационных и конструктивных параметров трактора и механического состава почвы, а также методов их определения в литературе встречаются различные мнения.
В технологических процессах возделывании сельскохозяйственных культур тяговая загрузка и буксование трактора не должны превышать допустимых значений, так как они влияют на уплотнение почвы и энергозатраты на передвижение. Однако по критериям для установления допустимых значений тяговой загрузки и буксования колесного трактора единого мнения не существует.
В связи с вышеизложенным, научная проблема сформулирована как повышение энергетической эффективности и экологической безопасности мобильных технических средств производства продукции растениеводства.
Цель исследований - повышение эффективности колесных универсально - пропашных тракторов тягового класса 1,4 путем снижения уплотняющего воздействия на почву и энергозат на их передвижение при возделывании сельскохозяйственных культур.
Народнохозяйственное значение состоит в разработке методов снижения энергозатрат на передвижение, уплотняющего воздействия на почву и совершенствование тягово-сцепных свойств колесных универсально-пропашных тракторов тягового класса 1,4, что позволит с экономить на возделывании сельскохозяйственных культур до 18...20% нефтепродуктов и повысить урожайность возделываемых культур на 10....15%. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать теоретические предпосылки снижения энергозатрат на передвижение колесных универсально-пропашных тракторов тягового класса 1,4 и уплотняющего воздействия их на почву. 2. Разработать метод определения площади поля, контактирующей с движителями машинно-тракторных агрегатов с учетом различных схем движения и комплексный критерий оценки агрофизических свойств почвы при воздействии на нее движителей тракторов. 3. Обосновать основные эксплуатационные и конструктивные факторы, определяющие энергетическую эффективность и уплотняющее воздействие на почву колесных универсально-пропашных тракторов тягового класса 1,4 при возделывании сельскохозяйственных культур. 4. Разработать модель эластичного колеса в различных режимах качения с обоснованием силовых и кинематических параметров, КПД и характеристики сопротивления качению колесных машин. 5. Уточнить математические модели, устанавливающие закономерности распределения нормальных и касательных напряжений в почве и изменение ее плотности по глубине от механического воздействия. 6. Получить закономерности, описывающие деформационные характеристики шин ведущих колес тракторов тягового класса 1,4 и обосновать выбор их конструктивных и эксплуатационных факторов. 7. Определить допустимые значения коэффициента буксования, давления на почву ведущих колес и тяговое усилие универсально-пропашных тракторов тягового класса 1,4 при возделывании сельскохозяйственных культур, а также зависимости деформации дерново-подзолистой от количества проходов колесных движителей по одному следу с различной тяговой нагрузкой и скорости движения трактора. 8. Разработать научно-обоснованные рекомендации по улучшению тягово-сцепных свойств колесных тракторов и снижению их уплотняющего воздействия на дерново-подзолистую суглинистую почву.
Приспособления для проведения лабораторных опытов
Для замера давлений шины на почву применялись манометры мембранного типа. Учитывая опыт исследователей, изучающих взаимодействия пневматических колес с почвой [31, 150, 231, 309, 359], был выбран тип мембранного манометра для регистрации давления между шиной и почвой (рис. 1. Приложение 1). В манометрах, предназначенных для замера реакций почвы на поч-возацепах, применялись два вида датчиков: для замера нормальных реакций датчики с толщиной мембраны 0,5 мм, для замера касательных реакций - 0,3 мм. В общем виде манометр состоит из корпуса, выполненного совместно с мембраной, крышки с трубкой для крепления манометра к шине, гайки и шайбы, тензметрических датчиков, проводов. Предполагалось, что у шин 16,9R38 характер распределения давлений является симметричным относительно поперечного профиля шины, поэтому манометры устанавливались в упорные и опорные части почво-зацепа по средине беговой дорожки и на расстоянии 0,1 м и 0,2 м от центра шин с ее поверхностью. Напряжения в почве от воздействия ходовых систем измеряли с помощью месдоз мембранного типа (рис.2 Приложения 1), изготовленных из стали 45 с последующей термообработкой. Размеры и жесткость месдоз соответствуют рекомендациям, изложенным в работе [52, 231, 363]. Сигнал от тензодатчиков на осциллограф К-12-22 подавали посредством четырехжильного экранированного токопроводящего кабеля, предварительно.усиленный прибором "ТОПАЗ-3-01".
Устройство для регистрации деформации почвы УРДП-АФИ предназначено для регистрации деформации слоя почвы на глубине от 0,1 до 1 метра (рис.3 Приложения 1). Состоит из перфарированных пластин 1, ограничивающих исследуемый слой почвы толщиной 0,1 м, которые закреплены на фланцах трубок 2, сопряженных телескопически; система дистанционной передачи перемещения пластин в виде подвижного троса 3, скользящего в нерастяжимой оболочке 4, и установочной рукоятки 5. Трос, проведенный внутри трубок, соединен с одной из пластин, а оболочка соединена с другой пластиной при помощи изогнутой жесткой трубки 5, имеющей цанговый зажим 7 для фиксации оболочки. Индикатор 8, регистрирующий перемещения пластин, закреплен на противоположном конце оболочки с помощью регулировочного устройства 10, имеющего муфту со стопорным винтом 11, фиксирующую гайку 12 и цанговый зажим 13 для закрепления на оболочке. Телескопически сопряженные трубки между пластинами защищены эластичной гофрированной трубкой 14, а оболочка троса защищена эластичной трубкой 15. Установочная рукоятка - съемная, с параллельными пазами 16 и соосными отверстиями в ее торцевой части для фиксации пяток пластин при помощи спицы 17. Горизонтальная установка пластин осуществляется с помощью уровня 16, вмонтированного в рукоятку.
Для получения характера распределения деформации почвы в динамике была проведена модернизация прибора. Заменен индикатор 8 (рис.3 Приложения 1) приспособлением (рис.4 Приложения 1), изготовленным в корпусе индикатора часового типа ИЧ50. Оно представляет собой реостатный датчик, преобразующий перемещение штока 3 индикатора в электрический сигнал, который подавали на гальванометр осциллографа с параметрами: чувствительность 316 мм/мА, сопротивлением 21,2 Ом. Электрическая схема приспособления представлена на рис. 5 Приложения 1.
Для круглогодичной регистрации динамики деформации почвы в корнеобитаемом слое в полевых условиях. Изготовлено устройство (рис.6 Приложения 1), которое состоит из перфорированных пластин 1, соединенных с помощью сварки со стержнями 2, изготовленными из нержавеющей стали и защищенными чехлами. Для защиты от коррозии, трения о почву и вмерзания вертикальной части стержней пространство между чехлами и стержнями заполняли тормозной жидкостью. Датчики при установке размешали поочередно снизу вверх по шаблону 5 с заданными расстояниями между пластинами. Выступающие над поверхностью почвы горизонтальные части стержней 4, изогнутые под прямым углом на определенной высоте, устанавливали в одной плоскости один над другим с помощью компонующей колодочки 3, которая обеспечивает вертикальное перемещение стержней относительно друг друга. Они служат для измерения изменения расстояния между пластинами. Измерения проводили штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Для замера буксования ведущих колес тракторов МТЗ было использовано "пятое колесо". Вращение ведущей шестерни конечной передачи 1 (рис.7 Приложение 1) посредством гибкого валика воспринималось чувствительным генератором 2, сигнал которого в виде частоты вращения подавался на вход "fi" электронного частотомера-хронометра 3. Частота вращения "пятого колеса" 6 посредством гибкого валика передавалась через вариатор 5 к генератору 4, а сигнал частоты вращения которого на вход %" частотомера-хронометра 3. На шкале прибора высвечивается численное значение отношения частот f/f2 а затем по формуле 8 = l-fi/f2 определяли буксование ведущего колеса. Вариатор (рис.8 Приложение 1) состоит из рамки 1, на которой крепятся ось 2 ведущего диска 3 и ось 6 ведомого диска 5, катящегося по поверхности диска 3. Ведомый диск 5 может перемещаться по радиусу по поверхности ведущего диска за счет винтовой пары 8. Ведущий и ведомый диски установлены на шарикоподшипниках. Работа вариатора происходит следующим образом. При движении трактора частота от "пятого колеса" передается ведущему диску 3. С ведомого диска 5 уже измененная по величине частота вращения снимается и передается генератору. Размер дисков вариатора подбирается таким образом, чтобы при движении трактора по любому фону возможно было уравнять частоты вращения "пятого колеса" и ведущей шестерни конечной передачи. Чтобы избежать влияния силового радиуса ведущего колеса на показания прибора, в зависимости от фона, где проводятся исследования, необходимо проехать без нагрузки и при помощи вариатора установить показания прибора на "Г. Тарировку манометров и месдоз проводили в масле и в почве на специальных приспособлениях.
Изменение физико-механических свойств дерново-подзолистой почвы от нормальных давлений
Для определения сопротивления почвы сжатию изготовлено приспособление (рис.20 Приложения 1), которое представляет собой сварную раму I, изготовленную из уголков №7, листового металла и трубы, опирающейся в основании на сменные штампы 7. В верхнюю его часть установлено тензозвено 2 для регистрации вертикальной нагрузки, контролируемой динамометром З ДП2. Вертикальное погружение штампов в почву фиксировали датчиком 9 перемещений ДП-3 виброизмерительной аппаратуры ВИ6-5МАД, соединенным с приспособлением посредством рычажного механизма 8.
Для определения почвы сдвигу использовалось приспособление (рис.22 Приложения 1), состоящее из трака 1 гусеничной цепи трактора Т-70С, к которому приварена платформа 2 для установки грузов. На ней закреплена трубка с карандашом 4, имеющим пружину. Экран 5 с встроенным уровнем горизонта предназначен для регистрации траектории перемещения трака с помощью карандаша. Тяговое усилие обеспечивали приводной станцией, состоящей из электродвигателя 8 постоянного тока и редуктора 7, установленной на пластину 9 с шипами. Тяговое сопротивление замеряли тензозвеном 6. Контроль перемещения трака в горизонтальной плоскости осуществляли датчиком 3 перемещений ДП-3 через рычажный механизм.
Для определения зависимости боковых и нормальных напряжений в почве от вертикальных нагрузок изготовлен прибор (рис.23 Приложения 1) состоит из стакана 4, изготовленного из гильзы цилиндров дизеля Д-240. На дно стакана установлена месдоза 6 для регистрации нормальных напряжений в исследуемой почве на глубине hn, задаваемой сменными проставками 3. Регистрации боковых напряжений в почве проводили датчиком 7 ДД-6, установленным в стенку гильзы. Нормальную нагрузку осуществляли поршнем I через сменные проставки 3 и контрольную мес-дозу 5. Перемещение поршня фиксировали датчиком 2 перемещений ДП-3.
Для определения жесткости шины и почвы и для реализации трехуровневого плана второго порядка с целью оптимизации отклика - коэффициента сохранности агрофизических свойств почвы от входных факторов: скорости скольжения, среднего давления и количества проходов колеса, использовалась лабораторная установка (рис.24 Приложения 1), состоящая из платформы 3 и рамы 9.
Платформа представляет из себя сваренную из уголков раму, закрытую стальным листом толщиной 0,004 м и опирающуюся на восемь опорных катков 2. На лист устанавливается ящик с почвой 22, являющийся опорной поверхностью для испытуемых шин. Боковое смещение платформы 3 по каткам 2 исключается четырьмя подшипниками, оси которых закреплены на продольных швеллерах 1.
Под основанием 1 проходит сваренная из таких же швеллеров поперечная рама 15, которая служит для крепления рамы 9, имеющей прямоугольную форму и изготовленную из швеллеров №16. Вертикальные швеллеры рамы 9 служат направляющими для подшипников каретки 4 квадратной формы, сваренной из швеллеров №16. Со стороны платформы 3 к каретке 4 по ее наружному периметру приварен стальной лист 11 толщиной 0,004 м, усиленный ребрами жесткости. К листу 11 болтами крепится полуосевой рукав 12 трактора МТЗ-80 с полуосью и ступицей. По наружным поверхностям полок вертикальных швеллеров рамы 9 перекатываются восемь шарикоподшипников 5, установленных па цапфах каретки 4. По внутренним поверхностям стенок этих швеллеров перекатываются четыре шарикоподшипника 5, которые крепятся к каретке с помощью кронштейнов 7. Благодаря возможности регулировки всех 12 подшипников, каретка 4 может перемещаться только вдоль рамы 9.
Рама 9 посредством поперечной рамы 15, укосин 14 и растяжек 8 болтами жестко крепится к основанию 1.
Колесо с испытуемой шиной 10 крепится на ступице и опирается на почву, находящуюся в ящике 22.
На внутреннем конце полуоси установлен барабан 13, на котором за-пасован тросик 20, соединенный через тяговое тензометрическое звено 18 с гидроцилиндром 16.
Вертикальная нагрузка на шину создается гидроцилиндром 19 через тросик 21, закрепленный вторым концом на каретке 4. Между тросиком 155 и гидроцилиндром 19 находится тяговое тензозвено 19. При изготовлении установки обращалось особое внимание на жесткость ее сборочных единиц и деталей, что и было достигнуто. На рис. 25 Приложения 1 представлена схема управления работой установки. Масло из масляного бака 1 насосом 2 подается в распределитель 3. Из распределителя масло направляется через дроссель-расходомер 4 и масляные шланги к цилиндрам 5. Нагрузка, создаваемая цилиндрами, фиксируется на шкале осциллографа К-12-22 тензолаборатории СТИЛ-4 на базе автомобиля ГАЗ-66.
