Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Анализ исследований влияния физико-механических свойств почвы на агротехнические и энергетические показатели работы плугов 9
1.2. Влияние изменения ширины захвата плуга на агротехнические и энергетические показатели вспашки 16
1.3. Анализ исследований влияния параметров корпуса плуга на агротехнические и энергетические показатели вспашки 21
1.4. Анализ конструктивных схем плужных корпусов с изменяемой геометрией отвала и результатов их исследований 32
1.5. Цели и задачи исследования 38
2. Теоретические предпосылки к созданию плуга с изменяемыми параметрами 41
2.1. Теоретические предпосылки к созданию корпуса плуга с изменяемой формой крыла отвала 41
2.2. Определение допустимого предела изменения формы крыла отвала 51
2.3. Информационная модель функционирования плуга с изменяемыми параметрами 55
2.4. Обоснование критерия оптимизации для определения параметров плуга 59
2.5. Выводы 68
3. Программа и методика экспериментальных исследований 69
3.1. Программа экспериментальных исследований
3.2. Устройство лабораторно-полевой установки, регистрирующая и измерительная аппаратура 70
3.3. Методика проведения лабораторно-полевых исследований
3.3.1. Методика профилирования сечений шаблонов 80
3.3.2. Методика определения энергетических показателей пахотного агрегата 81
3.3.3. Методика определения агротехнических показателей вспашки 85
3.4. Обработка опытных данных и определение погрешности измерений 87
4. Результаты экспериментальных исследований 94
4.1. Анализ результатов влияния вида и формы крыла отвала на агротехнические показатели работы плуга 94
4.2. Зависимость тягового сопротивления плуга от формы лемешно отвальной поверхности 102
4.3. Определение рациональных параметров плуга и скорости движения пахотного агрегата 106
4.4. Влияние формы крыла отвала на потенциальную эксплуатационную характеристику 109
4.5. Анализ результатов сравнительных лабораторно-полевых испытаний серийного плуга и плуга с изменяемыми параметрами 111
5. Экономическая эффективность использования плуга с изменяемыми параметрами 114
Основные выводы и предложения 119
Список использованной литературы 121
- Влияние изменения ширины захвата плуга на агротехнические и энергетические показатели вспашки
- Информационная модель функционирования плуга с изменяемыми параметрами
- Методика проведения лабораторно-полевых исследований
- Зависимость тягового сопротивления плуга от формы лемешно отвальной поверхности
Влияние изменения ширины захвата плуга на агротехнические и энергетические показатели вспашки
Почва - уникальное природное тело, характеризуемое плодородием. Она состоит из твердых частиц, почвенной воды, почвенного воздуха и живых организмов. Почва служит объектом изучения многих наук, каждая из которых исследует ее со своих позиций. В земледельческой механике почву необходимо рассматривать как объект механической обработки.
В земледелии, как и в любой другой отрасли производства, нельзя создавать совершенные почвообрабатывающие машины и тракторы, разрабатывать прогрессивную агротехнику различных сельскохозяйственных культур без систематического изучения физико-механических и технологических свойств почвы [2]. В.П. Горячкин придавал огромное значение изучению физико-механических, технологических и других свойств почвы, совершенствованию технологии обработки почвы и изысканию более совершенных почвообрабатывающих машин. Многообразие свойств почвы создает определенные трудности при исследовании и испытании почвообрабатывающих орудий, и поэтому чрезвычайно важно знать основные из них, которые необходимы как при оценке результатов работы орудия или машины, так и при теоретическом их обобщении. Все свойства почвы непрерывно изменяются. Наиболее стабильными характеристиками почвы, по которым ее классифицируют, являются генетический тип и механический состав.
Влажность как физический фактор может резко изменить механические свойства почвы. Влажность почвы влияет на проходимость и тягово-сцепные свойства тракторов, на расход энергии и качество производимых полевых работ. В зависимости от влажности изменяются способность почвы крошиться под воздействием рабочих органов, величина сил трения, возникающих между почвой и рабочими органами машин, способность залипання этих органов почвой.
При вспашке пересохших почв происходит образование крупных глыб. Сухие почвы после вспашки требуют дополнительной обработки боронами, катками или др. орудиями. Отрицательные результаты дает и вспашка увлажненных и переувлажненных почв [82]. При обработке таких почв (относительная влажность 80%) пласт, сохраняя форму сплошной ленты, остается слабовзрыхленным, его поверхность после оборота блестит, так как отвал зализывает пласт, в результате почва после просыхания непригодна для последующих операций.
При определенной оптимальной влажности физико-механические свойства почвы становятся наилучшими для обработки, так как почва легче режется, крошится и скользит по рабочей поверхности рабочего органа. Наиболее благоприятные условия для работы почвообрабатывающих орудий создаются, если почва находится в состоянии «спелости», т.е. при ее относительной влажности 50.. .70%.
Влажность и механический состав почвы в немалой степени влияют на удельное сопротивление. Под удельным сопротивлением почвы при вспашке понимают удельное сопротивление плуга (Н/см ) с культурной лемешно-отвальной поверхностью на скорости 6 км/ч. О влиянии влажности почвы на удельное сопротивление плуга можно судить по графику (рис. 1.1), приводимому С.А. Иофиновым [43], из которого видно, что при определенной влажности почвы удельное сопротивление плуга почти неизменно и минимально. Этот диапазон влажности определяет механическую «спелость» почвы.
Каждый почвенный тип и почвенная разновидность, при присущей им оптимальной влажности, имеют свое количественное выражение удельного сопротивления, свой минимум и свой максимум [35].
В исследованиях [84] указывается, что удельное сопротивление вспашки основных типов почв страны изменяется от 3 10"4 до 13 10"4 Н/м2. С.А. Иофинов [43] приводит графики изменения удельного сопротивления плуга от типа почв (рис. 1.2). Из рисунка видно, что удельное сопротивление плуга на всех типах почв с ухудшением условий для механической обработки увеличивается по криволинейной зависимости, причем интенсивность увеличения на тяжелых почвах выше, чем на легких.
Немалый интерес представляют работы П.У. Бахтина и М.Х. Пигу-левского, изучавших влажность подзолистых почв, имеющих наибольшее распространение в Северо-Западной зоне.
П.У. Бахтин [2] в своих опытах с дерново-подзолистыми почвами установил, что при влажности этих почв, близкой к влажности завядания, удельное сопротивление принимает наивысшее значение, пониженная влажность увеличивает коэффициент трения от увеличения нормальной нагрузки на почву, то есть сухую, содержащую очень мало влаги, почву пахать не выгодно. Такая почва ведет к увеличению расхода топлива и повышенному износу рабочих органов почвообрабатывающих машин. Минимума удельное сопротивление достигнет при какой-то средней величине влажности, после чего дальнейшее увлажнение почвы вызывает новое нарастание удельного сопротивления, так как налипание частиц почвы на металл ведет к переходу трения почвы по металлу в трение и сцепление почвы о почву.
По этому поводу ценные указания дает проф. М.Х. Пигулевский [76]. Он установил характерные пределы («пороги») влажности, внутри которых данная почва примерно сохраняет свои механические свойства и позволяет вести ее обработку без залипання рабочих органов и с наименьшим тяговым сопротивлением почвообрабатывающих машин. По Пигулевскому, предельная влажность почвы, ниже которой обработка характеризуется увеличенным удельным сопротивлением и глыбообразованием, равняется, в зависимости от типа почвы, от полуторной до двойной максимальной гигроскопической влагоёмкости.
Информационная модель функционирования плуга с изменяемыми параметрами
Анализ исследований влияния геометрии плужных корпусов с разными параметрами рабочей поверхности на агротехнические и энергетические показатели его работы позволил установить, что для создания плужного корпуса, обеспечивающего высокое агротехническое качество пахоты во всем диапазоне рабочих скоростей пахотного агрегата, необходимо разработать конструкцию отвальной поверхности, у которой с изменением условий работы (типа почвы, агрофона, влажности) и скорости будут меняться параметры путем регулирования.
Вид, величина параметров и положение ортогональной кривой определяют крошащую и оборачивающую способность корпуса. Основными геометрическими параметрами плужных корпусов, влияющими на энергоемкость и качество вспашки, по мнению ученых, являются (рис. 2.1) величина и
Расчетами [56] установлено, что увеличение угла наклона лемеха регулируемого плужного корпуса ко дну борозды с 28 град, до 30 град, несущественно влияет на изменение диапазона допустимых скоростей, определяемых из условия получения безгребневой вспашки.
Параметром, наиболее значительно влияющим на вышеперечисленные показатели, является угол постановки лезвия лемеха к стенке борозды. Большему углу у\ соответствует большее тяговое сопротивление и больший показатель крошения [19, 22, 71, 94]. Увеличение угла у2 (см. рис. 2.1) приводит к увеличению дальности отбрасывания пласта, увеличивая тяговое усилие на сообщение ему кинетической энергии [49, 94]. ТУ
Основные геометрические параметры плужного корпуса Общеизвестно, что для облегчения прохождения нижней части пласта на груди и улучшения оборачивания его на крыле образующие, расположенные выше лемеха, должны быть наклонены к стенке борозды под углом, меньшим, чем угол установки лемеха к стенке борозды, причем в определенный момент этот угол должен возрастать (рис. 2.2).
У скоростных корпусов уменьшение углов между образующими и стенкой борозды происходит не только в зоне лемеха, но и в зоне груди отвала (рис. 2.2, а). Благодаря этому достигается пологая установка крыла отвала, что способствует уменьшению скорости отбрасывания почвы в борозду, давления пласта на рабочую поверхность, сил трения, возникающих при движении по поверхности корпуса.
С целью придания отвалу крошащей или оборачивающей способности варьируют закономерностью изменения по высоте угла у между горизонтальной образующей и стенкой борозды. Для культурных отвалов рекомендуют [25, 82] приращение угла Лу = утах -уі = 2...7 и закономерность изменения этого угла по высоте в зоне отвала в виде параболы:
Для полувинтовых отвалов, предназначенных для связных почв, где необходимо производить более полный оборот пласта без интенсивного крошения почвы, делают подворот крыла отвала более сильным {Лу = 1... 15), закономерность изменения угла у по высоте качественно отлична от культурной и имеет вид параболы: полувинтовой; в - культурной глубина и полнота заделки растительных остатков, удобрений, а также греб-нистость и выровненность вспаханного поля в значительной степени зависят от подворота крыла отвала, который оценивается углом постановки последней касательной плоскости ко дну борозды. Чем сильнее подворот, тем сильнее выражена у них величина перекрытия верхней частью кривых нижней части, лежащих в плоскостях, перпендикулярных полевой стороне корпуса, тем в большей мере рабочая поверхность способна к обороту пласта. По этому принципу работает корпус с винтовой формой крыла отвала, который заделывает растительные остатки лучше, чем с культурной.
Увеличение или уменьшение изгибающих сил на лемехе и отвале не зависит от скорости движения плуга. Они обусловлены тяговым усилием трактора, механической прочностью почвы, углом установки лемеха ко дну борозды и изменением радиуса кривизны поверхности отвала. Уменьшение радиуса кривизны поверхности отвала увеличивает изгибающие усилия, повышая тем самым крошащие свойства плуга.
Изменение угла у2, что приводит к изменению формы отвала, изменяя радиусы кривых, лежащих в вышеуказанных плоскостях, от которых, в основном, зависят агротехнические показатели вспашки, синхронно изменению скорости вспашки имеет технологические и энергетические основания. Отвал, изготовленный из листовой стали, имеет некоторую упругость. Если защемить отвал и приложить силу PQ В произвольно выбранной точке С (рис. 2.3), то под действием этой силы поверхность отвала должна меняться. Форма поверхности будет зависеть от направления и величины приложенной силы Рс.
Для выяснения возможности изменения отвальной поверхности за счет упругих деформаций отвала был изготовлен рычажный механизм (раздел 3.2, рис. 3.2).
Шаблоны, т.е. кривые сечения рабочей поверхности корпуса вертикальными плоскостями, перпендикулярными к лезвию лемеха, снимались на профилографе. Для этого отвал размечается следующим образом: перпендику Рис. 2.3. Изменение кривых крыла отвала в зависимости от направления и величины приложенной силы лярно образующим проводятся риски кривых шаблонов с определенным расстоянием между ними, затем проводятся риски горизонтальных сечений, начиная от нижнего обреза отвала с равным интервалом. Корпус плуга с размеченным отвалом устанавливался на профилограф таким образом, чтобы нижняя образующая отвала была параллельна направляющей перемещения доски профилографа. Экспериментальный корпус на профилографе конструкции СЗНИИМЭСХ приведен на рис. 3.9.
На профилографе снимаются кривые III, IV, V, VI, VII сечений перпендикулярных нижней образующей отвала. На этих сечениях, перенесенных с помощью профилографа на лист чертежной бумаги, отмечаются точки пересечения шаблонных сечений с горизонтальными сечениями. Затем меняется поверхность отвала и аналогичным образом проводится снятие кривых сечений.
Об изменении формы поверхности отвала можно судить по кривым шаблонов, кривизна которых будет меняться в зависимости от придания поверхности отвала той или иной формы. Измеряя радиусы кривизны кривых шаблонов в каком-либо положении крыла отвала и сопоставляя их с радиусами кривизны в другом положении, можно вычислить изменение кривизны шаблонных сечений. При нахождении радиуса кривизны сечения было принято допущение состоящее в том, что не будет учитываться поворот сечений, перпендикулярных нижней образующей при изменении формы поверхности отвала. Также об изменении формы поверхности отвала свидетельствует изменение вылета L кривых шаблонов (приложение 1, 2). На рис. 2.4 графически представлены снятые на профилографе кривые шаблонов в трех положениях крыла отвала. Сечения даны через 100 мм, сечение III - направляющая кривая. Для каждой кривой шаблона во всех положениях крыла отвала на основе экспериментальных данных получены уравнения кривой, которые имеют следующий вид:
Методика проведения лабораторно-полевых исследований
Для решения поставленных задач в лаборатории 2.7 СЗНИИМЭСХ (НИПТИМЭСХ НЗ РФ) была изготовлена лабораторно-полевая установка, состоящая из следующих основных узлов (рис. 3.1): рама, включающая переднюю полураму 1, несущий брус 2 и телескопический брус 3; опорное колесо 4, совмещенное с дисковым ножом - металлическое, имеющее винтовой регулятор изменения глубины обработки; плужные корпуса 5 - конструктивной шириной захвата 35 см и полувинтовой поверхностью отвала производства завода "Одессапочвомаш" без кронштейнов крепления полевых досок, с механизмом изменения формы крыла отвала, установлены на несущем брусе 2 и имеющие возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси; бороздное колесо 6 - металлическое с ребордой, шарнирно закрепленное через консоль к несущему брусу, имеющее возможность перемещаться на консоли в поперечном направлении винтовым механизмом 7, опорной поверхностью в виде усеченного конуса, с ободом для опоры о дно борозды; замок автосцепки 8, имеющий возможность перемещаться по передней полураме с помощью гидроцилиндра 9 для изменения линии тяги относительно бороздного колеса; «пятое» колесо 10 для измерения длины пройденного пути - датчик пути, представляющий собой подпружиненное велосипедное колесо, прикрепленное к передней полураме посредством шарнира с двумя степенями свободы.
С помощью винтового механизма 11 корпуса плуга поворачиваются на различные относительно стенки борозды углы при изменении ширины захвата плуга. Причем угол наклона лемеха к стенке борозды при заданной ширине захвата плуга можно установить бесступенчато от 38 до 46 град.
Винтовой механизм состоит из кронштейна 5, который жестко закреплен к стойке корпуса 6, кронштейна 3 в виде уголка, закрепленного на крыле отвала 7. Кронштейны 3 и 5 связаны между собой откидным болтом увеличенной длины 4 с гайками 1 и 2. Изменение формы крыла отвала происходит навинчиванием или свинчиванием гаек 1 и 2. При отпущенных гайках крыло отвала занимает среднее положение, которое соответствует полувинтовой форме отвала.
Корпус с экспериментальными отвалами представлен на рис. 3.3.
При изготовлении экспериментальных отвалов использовались отдельные части серийного корпуса ПГЦ 61.000 производства АО «Одессапочво-маш». Использовались корпуса трех видов: I - корпус с стандартным пером отвала, II - корпус с удлиненным пером отвала, III - корпус с удлиненным крылом отвала.
Изменение ширины захвата плуга бесступенчато в пределах от 1200 до 1600 мм происходит изменением длины телескопического бруса 3 (см. рис. 3.1) посредством винтового механизма 12. Величину ширины захвата и угла установки корпуса плуга к направлению движения можно проследить по указателю со шкалой.
Бороздное колесо имеет возможность подстраиваться под заданную ширину захвата плуга и заданный угол поворота корпусов. Для этого консоль бороздного колеса винтовым механизмом 13 поворачивается в шарнире на несущем брусе через рычаг по или против часовой стрелки, а полуось задвигается или выдвигается из втулки консоли винтовым механизмом 7.
Зависимость тягового сопротивления плуга от формы лемешно отвальной поверхности
Для определения рациональных параметров плуга и скорости движения пахотного агрегата было использовано планирование эксперимента по трехуровневому плану Бокса-Бенкена для четырех факторов с определением критериев оптимизации. Согласно выводам, сделанным в разделе 2.3, наиболее значимым агропоказателем на данном агрофоне принят показатель качества вспашки.
Пользуясь методом множественного регрессионного анализа, после удаления незначимых коэффициентов регрессии получили следующие зависимости, где факторы представлены в кодированном виде: Р=12,27+0,79 Х1+0,92 Х2+0,195 Х22+0,27 Х2 ХЗ+0,89 ХЗ+0,46 Х4. (4.5) КК=76,95+5,69 Х1+1,37 Х12+0,7 Х1 Х4-3,73 Х2+1,07 Х2 ХЗ+5,41 ХЗ -1,91 Х32+1,79 Х4. (4.6)
Проверим значимость коэффициента уравнений регрессии с использованием критерия Стьюдента и адекватность всего уравнения с помощью критерия Фишера. Табличное значение критерия Стьюдента для уравнения (4.5) при степенях свободы /=27-6-1=20 равно f(0,05;20)=2,l [92], а для уравнения (4.6) /=27-8-1=18 равно /(0,05;18)=2,1 [66]. Расчетные значения критерия Стьюдента оставшихся коэффициентов регрессии представлены в таблицах приложений. Табличное значение критерия Фишера при числах степеней свободы /i=6 и /2=27-6-1=20 для уравнения (4.5) равно F(0,05; 6; 20) =2,599, что во много раз меньше расчетного значения F=377,68, а для уравнения (4.6)/=8 и f2=27-8-l=18 равно F(0,05; 6; 20)=2,66 [92], что тоже меньше расчетного значения F=254,39. Так как расчетное значение больше табличного, то модели адекватны.
Как видно из уравнения (4.5), на тяговое сопротивление влияют не только сами факторы, но и квадрат второго, и взаимодействие второго и третьего факторов. Знак «плюс» перед коэффициентом указывает на увеличение значения отклика с увеличением значения фактора или его квадрата. Уравнение подтверждает, что при увеличении скорости движения и параметров плуга (ширины захвата, угла у і, подворота крыла отвала) сопротивление его увеличивается и наоборот.
На качество крошения (уравнение 4.6) также влияют не только сами факторы, но и их взаимодействия и квадрат. Знак «плюс» перед коэффициентом свидетельствует о том, что с увеличением значения фактора величина отклика возрастает и наоборот. Наиболее сильное влияние на качество крошения оказывают скорость движения и в порядке убывания угол yh ширина захвата, форма крыла отвала. Но увеличение ширины захвата, в отличие от перечисленных факторов, ведет к ухудшению качества крошения.
Полученную модель сопротивления плуга P=f(V, В, уи у2) в дальнейшем будем использовать для построения графика производительности пахотного агрегата МТЗ-82+плуг с регулируемыми параметрами. После раскодирования выражение (4.5) примет вид: P(V, В, уь y2)=21,107+2,633V-23,225B+4,875B2-0,337Byr -0,249уг0,076у2. (4.7) Сопротивление плуга при начальной скорости V(f=l,66 м/с: P(V0, В, yh у2)=25,477-23,225В+4,875В2-0,337В у, -0,249уг0,076у2. (4.8) Сопротивление плуга при начальной скорости Vo=\,66 м/с и угле У!=42 град.: 108 P(V0, В, 42, y2)=15,109-37,379B+4,875B2-0,076y2. (4.9) Сопротивление плуга при начальной скорости Va=\,66 м/с и углах у/=42 град., 72=5 град.: P(V0, В, 42, 5)=14,653-37,379В+4,875В2. (4.10) Выражения (4.7)...(4.10) используем для определения производительности по выражению (2.24). Удельный расход топлива по выражению (2.27) и производительность за час основного времени будем рассматривать в диапа-зоне изменения удельного сопротивления почв от 3 до 7 Н/см , скорость движения - в пределах от 1,39 до 2,5 м/с (5.. .9 км/ч) и формы крыла отвала - в пределах от Э-1 до Э-3.
Анализируя математические модели (4.5), (4.6) решим компромиссную задачу, в которой следует определить значения факторов, дающих максимум производительности и показатели качества вспашки (в данном случае качество крошения) не ниже принятых агротехническими требованиями.
Решение компромиссной задачи с помощью ЭВМ проводилось для конкретных условий. Исследования были проведены при условии ограничения качества крошения не ниже 80% и получения максимальной производительности. В результате исследования получены следующие значения факторов: F=l,94 м/с, В=\,6 м, 7/=44 град, и форма крыла отвала - Э-1 (приложение 6). При этом качество крошения Кк=&2%, а тяговое сопротивление плуга Р=14,3 кН, что говорит об эффективном использовании мощности двигателя трактора, так как при рекомендуемом коэффициенте загрузки двигателя =0,9 [42] и Ркр(7)=16,55 кН [14] Р=Ркр =14,9 кН. Это подтверждает предположения, сделанные нами в разделе 2.
