Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологий и технических средств для обработки и посева, применяемых в условиях северо-востока европейской части РФ 15
1.1 Региональные условия возделывания сельскохозяйственных культур. 15
1.2 Общая характеристика технологий обработки почвы и посева в Северо-Восточном регионе европейской части России 16
1.2.1 Технологии основной обработки почвы 16
1.2.2 Технологии предпосевной обработки почвы и посева 21
1.2.3 Технологии повышения продуктивности естественных кормовых угодий 24
1.2.4 Перспективные направления повышения эффективности технологий обработки почвы и посева 27
1.3 Анализ технических средств для основной обработки почвы 29
1.4 Анализ конструкций почвообрабатывающе-посевных агрегатов.
1.4.1 Конструктивно-технологические схемы почвообра-батывающе-посевных агрегатов 33
1.4.2 Сошники и сошниковые группы сеялок и почвообрабатывающе-посевных агрегатов 41
1.5 Технические средства для улучшения естественных кормовых угодий 45
1.5.1 Агрегаты для ускоренного залужения естественных кормовых угодий 45
1.5.2 Технические средства для прямого посева семян трав в дернину 49
1.5.3 Анализ туковысевающих устройств посевных и посадочных машин 56
1.6 Краткий обзор теоретических исследований по теме диссертационной работы 60
1.7 Состояние проблемы и задачи исследования 70
2 Теоретические предпосылки к обоснованию конструктивно-технологических схем многофункциональной техники для обработки почвы и посева 73
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы орудия для основной обработки почвы со сменными рабочими органами 73
2.1.1 Устойчивость движения орудия со сменными рабочими органами для безотвальной обработки почвы в продольно-вертикальной плоскости 76
2.1.2 Устойчивость движения орудия со сменными рабочими органами для безотвальной обработки почвы в горизонтальной плоскости 83
2.1.3 Обоснование конструктивно-технологической схемы многофункционального агрегата для безотвальной обработки почвы 87
2.2 Обоснование конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата 90
2.2.1 Определение оптимальной ширины захвата почвообрабатывающе-посевного агрегата 93
2.2.2 Определение основных параметров измельчающего ротора ротационного рыхлителя почвообрабатывающе-посевного агрегата 100
2.2.3 Определение основных параметров сошниковой группы почвообрабатывающе-посевного агрегата 104
2.3 Обоснование конструктивно-технологических схем машин для полосного посева семян трав в дернину и их рабочих органов 118
2.3. 1 Обоснование технологической схемы сеялки полосного посева семян трав в дернину 118
2.3.2 Обоснование конструктивно-технологической схемы фрезерного сошника сеялки полосного посева 123
2.3.3 Совершенствование сеялок полосного посева семян трав 130
2.3.4 Обоснование конструктивно-технологической схемы туковой сеялки комбинированного дернинного агрегата.. 133
2.3.5 Моделирование движения частиц почвы по поверхности Г-образного ножа фрезерного сошника сеялки полосного посева 136
3 Программа и методика экспериментальных исследований 144
3.1 Программа экспериментальных исследований 144
3.2 Экспериментальные установки, приборы и оборудование 146
3.3 Объекты исследования 146
3.4 Методика определения основных физико-механических свойств почвы 165
3.5 Методика определения затрат энергии на обработку почвы 167
3.6 Методика определения жёсткости пружины кручения сошниковой группы почвообрабатывающее-посевного агрегата 168
3.7 Методика определения глубины заделки семян 169
3.8 Методика определения параметров бороздообразования 170
3.9 Методика определения нормы высева семян и удобрений 172
3.10 Методика определения параметров полосы, профрезерованной в дернине 173
3.11 Методика определения энергоёмкости фрезерования полосы дернины 174
3.12 Методика определения показателей качества высева удобрений 174
4 Разработка и результаты экспериментальных исследований технических средств для основной обработки почвы 177
4.1 Разработка и результаты исследований универсального орудия для основной обработки почвы для тракторов класса 14 кН 177
4.1.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы плуга-плоскореза ППН-3-35/2-70 177
4.1.2 Определение оптимальных параметров плоскорезных лап 180
4.1.3 Определение оптимальных параметров и режимов работы орудия с плоскорезными лапами и дисковой секцией 184
4.1.4 Исследование совместной работы плоскорезных лап и дисковой секции 187
4.1.5 Оценка эффективности функционирования плуга-плоскореза ППН-3-35/2-70 191
4.2 Разработка и результаты исследований орудия для основной обработки почвы со сменными рабочими органами для тракторов класса 30 кН 195
4.3 Разработка и результаты исследований многофункционального агрегата для безотвальной обработки почвы 201
4.3.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы много-функционального почвообрабатывающего агрегата КПА-2,2 201
4.3.2 Оценка эффективности работы многофункционального почвообрабатывающего агрегата КПА-2,2 203
5 Разработка и результаты исследований почвообрабатывающе-посевного агрегата 207
5.1 Результаты исследований по определению конструктивно технологических параметров почвообрабатывающей части агрегата 207
5.1.1 Сравнительные исследования рабочих органов машин для предпосевной обработки почвы 207
5.1.2 Обоснование конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающей части агрегата 209
5.1.3 Определение оптимальных параметров и режимов работы почвообрабатывающей части агрегата
5.1.3.1 Определение оптимальных параметров почвозацепов приводного ротора 211
5.1.3.2 Определение оптимальных параметров и режимов работы приводного ротора 219
5.1.3.3 Сравнительные исследования фрезерного и тросового измельчающего ротора 221
5.1.3.4 Определение оптимальных параметров и режимов работы тросового измельчающего ротора 224
5.1.4 Сравнительные исследования почвообрабатывающей части агрегата с фрезерным и тросовым измельчающими роторами... 226
5.2 Результаты исследований по определению конструктивно технологических параметров посевной части агрегата 229
5.2.1 Сравнительные исследования сошников различного типа 229
5.2.1.1 Сравнительные исследования сошников по качеству бороздообразования 229
5.2.1.2 Сравнительные исследования сошников по качеству посева... 234
5.2.2 Определение оптимальных параметров сошниковой группы... 237
5.3 Результаты исследований конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата 243
5.4 Оценка эффективности работы почвообрабатывающе-посевного агрегата АППН-2,1 249
5.5 Оценка эффективности работы почвообрабатывающей части АППН-2,1 как агрегата для предпосевной обработки почвы 254
6 Разработка и результаты исследований технических средств для полосного посева семян трав в дернину 258
6.1 Оценка конструктивно-технологической схемы сеялки для прямого полосного посева семян трав в дернину 258
6.2 Совершенствование фрезерного сошника сеялки полосного посева семян трав в дернину 261
6.2.1 Исследование фрезерного рабочего органа с предварительным надрезанием краев полосы 262
6.2.1.1 Результаты исследования влияния кинематического режима работы фрезы на степень крошения почвы и энергоёмкость фрезерования 262
6.2.1.2 Влияние предварительного надрезания краев полосы на энергоёмкость фрезерования 264
6.2.1.3 Влияние предварительного надрезания краев полосы на показатели стабильности ее ширины 266
6.2.1.4 Влияние предварительного надрезания краев полосы на степень крошения почвы 269
6.2.2 Исследование двухдискового фрезерного рабочего органа 271
6.2.2.1 Оценка эффективности обработки почвы двухдисковым фрезерным рабочим органом 271
6.2.2.2 Сравнительные исследования фрезерных сошников дернинных сеялок 274
6.2.3 Исследование фрезерного сошника с пластинчатыми ножами 276
6.2.3.1 Оценка эффективности работы фрезерного сошника с пластинчатыми ножами 277
6.2.3.2 Определение оптимальных параметров и режимов работы фрезерного сошника с пластинчатыми ножами 281
6.2.4 Исследование предохранительно-демпферного устройства фрезерных рабочих органов сеялки полосного посева 284
6.2.4.1 Определение параметров предохранительно-демпферного устройства фрезерного сошника 284
6.2.4.2 Оценка эффективности работы предохранительно-демпферного устройства фрезерного сошника 287
6.3 Обоснование технологической схемы, параметров и режимов работы туковой сеялки дернинного агрегата АДК-2,8 291
6.3.1 Сравнительные исследования катушечно-штифтового и спирально-шнекового туковысевающих аппаратов 291
6.3.2 Определение конструктивно-технологических параметров спирально-шнекового туковысевающего аппарата 295
6.3.3 Оценка эффективности работы туковой сеялки комбинированного дернинного агрегата АДК-2,8 299
7 Оценка эффективности использования разрабо танной техники для обработки почвы и посева 302
7.1 Оценка эффективности использования разработанной техники для основной обработки почвы 303
7.1.1 Оценка эффективности работы орудия для основной обработки почвы со сменными рабочими органами - плуга-плоскореза ППН-3-35/2-70 303
7.1.2 Оценка эффективности работы многофункционального агрегата для безотвальной обработки почвы КПА-2,2 308
7.2 Оценка эффективности работы почвообрабатывающе-посевного агрегата АППН-2,1 311
7.3 Оценка эффективности полосного посева семян трав с использованием дернинных сеялок и комбинированного агрегата
3 7.3.1 Эффективность технологии возделывания трав с использованием сеялки прямого полосного посева СДК-2,8 314
7.3.2 Эффективность применения дернинного агрегата АДК-2,8 319
7.4 Производство сеялок для посева семян трав в дернину СДК-2,8 320
Основные выводы 323
Литература
- Конструктивно-технологические схемы почвообра-батывающе-посевных агрегатов
- Обоснование конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата
- Методика определения жёсткости пружины кручения сошниковой группы почвообрабатывающее-посевного агрегата
- Разработка и результаты исследований орудия для основной обработки почвы со сменными рабочими органами для тракторов класса 30 кН
Конструктивно-технологические схемы почвообра-батывающе-посевных агрегатов
Основная обработка почвы является фундаментальной базой земледелия. Урожайность сельскохозяйственных культур на четверть зависит от качества обработки почвы. При этом на основную обработку почвы приходится до 40% расхода ГСМ и 35% трудовых затрат от общего объёма затрат энергии и труда в растениеводстве [35, 145].
Основную обработку почвы проводят с целью обеспечить оптимальные почвенные условия для посева семян, их прорастания и дальнейшего развития растений, а также создать предпосылки для эффективной работы МТА на последующих технологических операциях. Основной задачей вспашки является рыхление пахотного слоя с оборотом пласта и перемешиванием его частей, полная заделка дернины или пожнивных остатков с вносимыми органическими или минеральными удобрениями. Различают следующие виды отвальной обработки: основную (зяблевую) вспашку, весновспашку и пахоту паров. Зяблевая вспашка имеет большое значение в борьбе с сорняками, вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, в ходе неё питательные вещества, вынесенные влагой в более глубокие слои почвы, доставляются к поверхности [323]. Агротехнические требования, предъявляемые к вспашке [32, 38, 115, 162]: а) вспашка должна проводиться в установленные агротехнические сроки при физической спелости почвы; б) глубина вспашки должна быть равномерной. Отклонение фактической глу бины пахоты от требуемой на выровненных полях и участках не более +1 см, а на участках с неровным рельефом - не более +2 см. Глубина вспашки под свальными проходами должна быть не менее половины заданной; в) поверхность пашни в ширине захвата плуга и между смежными проходами должна быть слитной. Гребнистость поверхности не должна превышать 7 см; г) оборот пласта должен быть полным, без образования пустот, с полной задел кой пожнивных остатков, сорняков и удобрений; д) не допускаются разрывы между смежными проходами, скрытые и открытые огрехи, а также незапаханные клинья; е) при вспашке почвы с оптимальной влажностью вспаханный слой поля дол жен быть мелкокомковатым с преобладанием комков поперечным сечением не более 5 см. Количество глыб крупнее 10 см не должно превышать 15-20%. При этом отвальная обработка почвы имеет существенные недостатки: ускоряется разложение органического вещества в почве, на дне борозды формируется слой почвы повышенной плотности («плужная подошва») и усиливается эрозия почвы [124, 146, 184].
Эти негативные последствия постоянного применения вспашки возможно сгладить, используя в качестве основной обработки почвы безотвальные обработки. Безотвальная и плоскорезная обработка почвы сформировались как почвозащитный приём обработки в середине ХХ века. Согласно требованиям, предъявляемым к ней, после прохода орудия на поверхности поля должна максимально сохраниться комковатость верхнего слоя почвы, повреждение стерни и заделка других пожнивных остатков должны быть минимальна, рыхление пласта рабочие органы выполнятся без его оборота и перемешивания слоёв [129, 130]. Благодаря этому возможность ветровой и водной эрозии сводится к минимуму. На дерново-подзолистых почвах безотвальная обработка почвы способствует накоплению в верхнем слое пахотного горизонта органического вещества, улучшают водный режим, снижают энергозатраты на основную обработку почвы, но при их ежегодном применении увеличивается засорённость полей, снижается плодородие почвы в нижнем слое пахотного горизонта [145, 285].
К приёмам безотвальной обработки относят глубокое рыхление почвы плугами с вырезными корпусами (по методу Мальцева Т.С.) или безотвальную обработку корпусами СибИМЭ, плоскорезная обработка, чизелевание, а также обработку тяжёлыми стерневыми культиваторами [3, 23, 117, 272]. Различие между безотвальной по методу Т.С. Мальцева и плоскорезной обработками состоит в том, что вырезные корпуса плуга, в отличие от плоскорезных лап, поднимают отрезанный пласт на высоту до 12 см и одновременно сдвигают нижний слой пласта в горизонтальной плоскости вперёд до 15 см и вправо по ходу до 25 см [27]. За счет этого достигается более сильное рыхление подпокровного слоя, но при этом из-за меньшей ширины захвата плужных вырезных корпусов снижается количество неповреждённой стерни.
Агротехнические требования, предъявляемые к проведению безотвальной и плоскорезной обработкам почвы, состоят в следующем [171, 206, 303]: а) сохранение комковатости верхнего слоя почвы. После обработки не должно возрастать количество эрозионноопасных частиц размером менее 1 мм; б) при оптимальной влажности почвы (60% от максимальной влагоёмкости) основную массу должны составлять фракции почвы размером: при глубине рыхления до 16 см – 30-50 мм, от 23 до 30 см – 30-100 мм. Объём комков, раз мером свыше 100 мм, не должен быть более 20% от всей массы; в) после обработки на поверхности участка должно оставаться более 74% стерни. Допустима потеря не более 10-15% стерни за один проход при глубине обработки менее 16 см и 15-25% при глубине до 30 см; г) возможное отклонение глубины обработки от требуемого при глубине рых ления менее 16 см - до +1 см, менее 30 см - до +2 см. Колебания ширины за хвата не должны превышать 4-5 см; д) подрезание сорных растений в зоне движения рабочих органов - полное; е) величина перекрытия между смежными проходами МТА в пределах 20 см; ж) после обработки на стыках проходов и рабочих органов допускаются вали ки высотой не более 5 см, а в местах прохождения стоек - борозды шириной поверху до 15-20 см при глубине менее 5 см.
На Северо-Востоке Нечерноземья, особенно в условиях его северных районов с коротким летом и достаточным увлажнением, плоскорезная обработка зяби приобретает преимущество перед поздней отвальной зябью, так как яровые культуры, посеянные по безотвальной зяби, находят в верхней части пахотного слоя больше питательных веществ, чем по поздней вспашке [27].
В настоящее время одним из основных способов ресурсосбережения в земледелии является минимизация почвообработки. При этом необходимо учитывать результаты ранее проведённых исследований. Так, согласно данным полученным в Северо-Западном НИИСХ при проведении постоянного безотвального рыхления по сравнению со вспашкой падает урожайность ячменя и яровой пшеницы. Это подтверждается данными, полученными на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве в ВИУА им. Прянишникова. Результаты исследований Куйбышевского НИИСХ показали, что при постоянной безотвальной обработке культиваторами-плоскорезами увеличивается засорение пашни сорняками, уменьшается содержание нитратов, а также происходит разделение по плодородию обрабатываемых горизонтов. Для устранения этих негативных явлений рекомендуется сочетать плоскорезную обработку со вспашкой [281].
При этом выбор системы обработки почвы напрямую зависит от почвенно-ландшафтных условий и уровня интенсификации производства. Для севера лесо 20 степи и в таёжно-лесной зоне, что характерно для Северо-Восточного региона
России, оптимальные системы основной обработки почвы состоят из различных комбинаций вспашки и безотвальных или плоскорезных обработок [132, 183]. Данные НИИСХ Северо-Востока и Вятской ГСХА свидетельствуют, что проведение безотвальных и мелких обработок, таких как вспашка на 10-14 см, на дерново-подзолистых суглинках и супесях приводит к повышению массы органических материалов в поверхностном горизонте пашни, наблюдается оптимизация воздушного и водного режима. Из-за длительного пребывания в нижних слоях пахотного горизонта семена сорных растений частично утрачивают всхожесть. При безотвальной и мелких обработках почвы снижаются затраты энергии на 50-90% по сравнению со вспашкой на 20-22 см. Однако, при повышении плодородия в поверхностных слоях почвы наблюдается его снижение в более глубоких слоях пахотного горизонта и возрастает количество сорняков. Чтобы избежать негативных последствий постоянного проведения как безотвальной обработки почвы, так и вспашки, рекомендуется чередовать через один-два года безотвальную обработку почвы и вспашку на 20-22 см. Так, чередование через один-три года глубокой вспашки и плоскорезной обработки на 10-12 см в сравнении с ежегодной пахотой на 20-22 см на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве обеспечило уменьшение засорённости пашни на 28-67%, увеличило урожайность возделываемых культур на 0,4-0,9 тонны кормовых единиц с гектара [285].
Обоснование конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата
К орудиям с пассивными рабочими органами, которые осуществляют свои функции при движении в почве при перемещении трактора, относят полевые и стерневые культиваторы, бороны, культиваторы-плоскорезы, катки и т.д. К орудиям с ротационными рабочими органами, не имеющим внешнего привода и работающими при взаимодействии рабочих органов с почвой при поступательном перемещении МТА, принадлежат дисковые бороны и лущильники, ротационные рыхлители.
Для придания почве оптимальной структуры пассивные рабочие органы устанавливают в несколько рядов либо применяют несколько рядов рабочих органов разного вида, что увеличивает размеры машины и снижает манёвренность машинно-тракторного агрегата. В этом аспекте орудия с рабочими органами активного типа обладают рядом достоинств: компактность конструкции, высокое качество крошения почвы [187, 326].
В зависимости от типа посевной части различают технические средства индивидуального и централизированного высева, с пневматическим и механическим транспортированием семян к сошникам [67].
Первоначально в качестве одного из способов совмещения обработки почвы и посева применялось эшелонированное размещение однооперационных орудий, при котором отдельные машины соединялись последовательно. В 70-е годы ХХ века в Белорусском НИИ земледелия создан агрегат из последовательно соединённых культиватора КПС-4, борон БЗСС, прикатывающего катка и зерновой сеялки СЗ-3,6. Ширину захвата культиватора за счёт демонтажа крайних лап согласовывали с шириной захвата сеялки. Каток шарнирно крепился под сницей СЗ-3,6. По подобной схеме выполнено большое число агрегатов, состоящих из различного типа культиваторов, борон, выравнивателей и зернотуковых сеялок. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, такие агрегаты не получили широкого применения вследствие громоздкости, низкой маневренности и несогласованности ширины захвата почвообрабатывающих и посевных машин [28]. В те же годы распространение получили агрегаты, созданные путем объединения комбинированных почвообрабатывающих машин и сеялок. Примером такой схемы является агрегат из РВК–3,6 и сеялки СЗ-3,6. Типичным агрегатом данного типа на основе полевых фрез служит агрегат КА-3,6 (СССР), состоящий из фрезерного культиватора КФГ-3,6, сеялки СЗ-3,6, катков и осуществляющий одновременно сплошное фрезерование, посев, внесение стартовой дозы туков, прикатывание [122, 274]. Сходной конструктивно-технологической схемой обладает почвообрабатывающе-посевной агрегат (Италия, «Техномеха-ника-Корреджезе»), который выполнен на базе навесного фрезерного культиватора и зерновой сеялки прицепного типа и который вследствие меньшей ширины захвата существенно проигрывает в производительности агрегату КА-3,6.
К данному типу агрегатов относятся посевные комплексы, скомпонованные в единую машину из отдельных сеялок-культиваторов и бункеров для семян и туков, оборудованных механизмом высева, которые совместно осуществляют операции по культивации, боронованию, внесению минеральных удобрений, прикатыванию и посеву. Примером может служить отечественный посевной комплекс «Кузбасс» (ЗАО «Агро»), состоящий из прицепных культиватора-сеялки и бункера с дозирующей и пневмотранспортирующей системой для семян и туков. Культиватор-сеялка снабжена сошниками в виде стрельчатых лап на С-образных стойках с междурядьем 0,3 м. Послепосевное прикатывание выполняется двумя рядами пневматических колес [113]. К недостаткам данного вида техники следует отнести высокую стоимость и металлоёмкость, составляющую 750-910 кг/м. Их применение эффективно в хозяйствах, обладающих большими посевными площадями и парком энергонасыщенных тракторов.
К почвообрабатывающе-посевным агрегатам, рабочие органы которых объединены общей рамой, относится агрегат АКПП-3,6 (СССР, НИПТИ-МЭСХ). Его основой служит рама сцепки, опирающаяся спереди на навесную систему трактора и сзади на сницу сеялки СЗ-3,6 [28, 103, 142]. На общей раме крепятся культиватор со стрельчатыми лапами, выравниватель почвы и прикатывающий каток. Новые технологии в сельскохозмашиностроении и применение современных материалов существенно уменьшили металлоёмкость техники, что позволило разработать агрегаты на базе почвообрабатывающих орудий, на которых посредством гидрофицированной сцепки монтируется посевная часть. К таким машинам относятся агрегаты для почвообработки и посева семейства АПП (РБ, ОАО «Брестский электромеханический завод»), составленные посредством монтажа сеялок СПУ на раме почвообрабатывающего орудия АКШ (рис. 1.5).
Данная компоновочная схема почвообрабатывающе-посевных агрегатов широко распространена в ЕС. Классическим образцом служат агрегаты Lemken (ФРГ), имеющие ширину захвата 4,0-6,0 м и образованные посредством навешивания сеялки Solitair на почвообрабатывающие орудия Korund или Smaragd., что позволяет использовать их раздельно на обработке почвы и на посеве, увеличивая тем самым годовую загрузку машин [137, 309]. Негативным моментом является усиленная рама орудия и механизм навески, обусловленная повышен ной нагрузкой на них со стороны устанавливаемых сеялок.
Методика определения жёсткости пружины кручения сошниковой группы почвообрабатывающее-посевного агрегата
Для надежной работы орудия при безотвальной обработке почвы требуется, чтобы для хорошего заглубления на рыхлых почвах плоскости лемехов плоскорезных лап устанавливаются горизонтально, а на уплотнённых почвах плоскости лемехов должны быть расположены под углом 5 к горизонтали [277]. Известные способы индивидуальной регулировки угла установки плоскорезных лап не могут быть применены, так как установка кронштейнов регулировочных болтов на боковой плоскости стойки лапы приводит к сгружива-нию растительных остатков и почвы перед ними. Предложено крепить плоскорезные лапы к кронштейнам рамы плуга посредством эксцентриковых шайб (рис. 2.2), либо эксцентриковых шпилек [230, 233]. В этом случае при регулировке угла установки резьбовые соединения ослабляют и за счет поворота эксцентриковых шайб или шпилек меняют угол наклона лапы относительно рамы орудия. В случае установки эксцентриковых шайб в крайние по высоте положения значение эксцентриситета е должно обеспечить в нижнем положении минимальный угол расположения плоскорезных лап y9min= 00, а во втором положении - максимальный /Зmax= 50. Значение эксцентриситета e, м, шайб или шпилек определяется как: 4e а tga, (2.1) где a - максимальный угол установки плоскорезной лапы, град; a - расстояние между отверстиями кронштейна крепления рамы, м. Регулировка угла установки плоскорезной лапы при помощи эксцентриковых шпилек или шайб даёт возможность настроить орудие для работы на почвах различного механического состава и плотности без внесения изменений в конструкцию рамы лемешного плуга и механизма крепления корпусов плуга, что позволяет универсальному орудию для основной обработки качественно выполнять вспашку и безотвальную обработку почвы. - рама; 2 - кронштейн; 3 - стойка лапы; 4 - болт; 5 - втулка эксцентриковая Рисунок 2.2 - Механизм регулировки угла установки плоскорезной лапы при помощи эксцентриковых шайб
Навесная система колёсных тракторов тягового класса 1,4-3,0 в большинстве случаев представляет собой в продольно-вертикальной плоскости шарнирный многозвенник. При работе с навесными орудиями для копирования рельефа, навесная система освобождаются от силовой связи с гидросистемой трактора, причём глубина заглубления определяется опорными колесами орудия или агрегата, навешенного на трактор, а сила тяги трактора передаётся орудию через верхнюю и нижние тяги навесной системы [206, 317].
Способ навешивания орудий существенно влияет на подвижность орудия относительно трактора. Наиболее распространёна трёхточечная схема навески, при которой перемещение трактора в продольно-вертикальной плоскости, обусловленное неровностями рельефа или изменением механических свойств почвы, нарушает устойчивый ход МТА. Качество проведения агротехнологических операций и эффективность работы навесных машин и орудий во многом определяется устойчивостью их движения. При работе МТА на них воздействуют различные возмущающие силы, обусловленные неровным рельефом, неоднородностью механического состава почвы, её влажности и т.п, что сообщает МТА, как механической системе, дополнительные перемещения, скорости и ускорения [69, 150, 168]. После окончания воздействия система либо стремится вернуться к установившемуся характеру движения, либо отклонения траекторий движения точек системы от установившегося движения возрастают [169, 177].
Для большинства операций почвообработки агротехнические требования на выполнение технологических операций лимитируют зону отклонения рабочих органов сельскохозяйственных машин в процессе работы [121, 245, 260].
Первоначально при разработке универсального орудия для основной обработки почвы к трактору класса 14 кН для повышения стабильности хода плоскорезных лап рассмотрено два варианта установки дисковых секций: две за каждой из лап и одна шириной захвата равной ширине захвата орудия. Для выбора схемы размещения дисковых секций проведены теоретические исследования устойчивости движения орудия, определяющей качество обработки.
В процессе безотвальной обработки почвы на рабочих поверхностях плоскорезных лап возникают распределённые силы сопротивления почвы, которые обычно заменяют сосредоточенными силами Rx , Ry и Rz для трёх плоскостях. Орудие для основной обработки почвы навешивается на трактор по трёх-точечной схеме и обладает двумя степенями свободы - относительно осей Оy и Оz, причём опорами орудия в продольно-вертикальной плоскости хОz служат опорное колесо и секция дисков (рис. 2.1). При рассмотрении устойчивости движения МТА при выполнении безотвальной обработки допущено: - сопротивление почвы движению каждой из плоскорезных лап идентично; - при движении орудия стабильность его хода в горизонтальной плоскости создаётся стойками плоскорезных лап и колёсами трактора, при этом усилие Qy на колесе орудия является нулевым; - силы, воздействующие на дисковые рабочие органы, заменены равнодейст вующей, приложенной к центру дисковой секции.
В общем случае уравнения движения МТА с навесным орудием являются нелинейными, чтобы привести их к линейному виду, допущено что: - отклонения траекторий точек орудия от их траекторий при установившемся движении малы и приращения переменных второго и более высокого порядков не принимаются во внимание; - изменения внешних сил и моментов, обусловленных отклонениями траекторий рабочих органов орудия от траекторий при установившемся движении прямо пропорциональны отклонениям и первым производным (скоростям) данных отклонений; - масса МТА неизменна; - сопротивление воздуха при движении МТА не учитываем. Согласно схемы движения орудия при безотвальной обработке почвы в продольно-вертикальной плоскости на него (рис. 2.3) действуют силы: G - вес орудия; Sz - вертикальная составляющая реакции почвы на опорном колесе; Rz дI , Rz дII, Rz лI , Rz лII - вертикальные составляющие реакции почвы на долота и лемеха лап; Rz д.сек - вертикальная составляющая реакции почвы на дисковую
Разработка и результаты исследований орудия для основной обработки почвы со сменными рабочими органами для тракторов класса 30 кН
Для определения жёсткости с пружины кручения механизма подвеса сошника, а также угла отклонения ср0 при промежуточном условии (п = к), используем систему уравнений из уравнения движения сошника в установившемся положении и условия предельно апериодического движения [90]:
Система уравнений (2.85) позволяет определить жёсткость с пружины и угол сро отклонения поводка относительно первоначального угла установки аК при достижении сошниковой группой динамического равновесия при соответствующей скорости перемещения Vo и глубине хода h сошника для заданных значений длины / поводка, массы т сошника, углов /? и ак, а также сопротивления почвы R = f(V, h). Результаты решения системы уравнений при скорости движения сошника 0,5-2,1 м/с и угле ак наклона поводка 45-65 показали (рис. 2.15), что на изменение величины жёсткости с пружины и угла ср0 отклонения по поводка для соблюдения условия п = к более значимое влияние оказывает изменение скорости движения, чем первоначальный угол наклона поводков.
С ростом скорости сошника жёсткость пружины механизма подвеса, требуемая для поддержания устойчивого перемещения сошника при соблюдении условия предельно апериодического движения системы, уменьшается параболически (рис. 2.15, а) с одновременным увеличением угла сро отклонения прицепа сошника относительно их начального угла установки аК (рис. 2.15, б). ад с
Влияние скорости движения V0, км/ч, на изменение значений жёсткости с, Н/рад., пружины кручения и угла отклонения р0, град, поводков сошника, обеспечивающих выполнение условия предельно апериодического движения при заданных параметрах /? = 10, / = 0,24 м, т = 1,5 кг
Совместное решение уравнений (2.85) при определённых условиях функционирования имеют единственные значения параметров сошниковой группы при соблюдении условия предельно апериодического движения. Практически это труднодостижимо из-за нестабильности свойств почвы и скорости и наиболее вероятное движение сошника представляет собой граничное существование предельно апериодического движения с затухающим колебательным движением (к п), либо с апериодическим (п к).
Для определения оптимальной жёсткости пружины кручения сошниковой группы рассчитывалось время её переходного движения для двух значений жё сткости пружины с учетом допустимых агротехническими требованиями пределов отклонения глубины хода сошника от его установившегося движения ± срдоп . Пределы отклонений глубины хода сошника от его установившегося движения согласно (рис. 2.16) находятся по выражению: АН = Н-Н = risin(aK+p- еро) - r-sinfa+p- щ - (рдоп)\ (2.86) где Я = rsm(aK+p - щ)\ Я = rsm(aK+/3 - ср0 - (рдоп). шГ и ША /// //} т \ Рисунок 2.16 - Схема для расчёта допустимых агротехническими требованиями пределов отклонения поводков сошника Угол отклонения поводка срдоп , соответствующий АН, равен: Фдоп = ак + Р -(Po arcsm sm(aK+0- Po) АН (2.87) пы рассмотрим два случая предельно апериодическоЛгиот д.вМижасесаниМяа спшртиа бскоро-Изм.Лист №докум. Подп. Дата Разраб. 1:1 П ров. Т.контр. Лист Листов 1 Для иллюстрации характера переходного движения сошниковой груп 112 сти 0,94 и 2,10 м/с. В первом случае движение сошника будет предельно апериодическим при а = 224 Н/рад, ср0 = 0,136 рад, ак = 55 (рис. 2.17) и время его возвращения в зону допустимых агротребованиями пределов отклонения глубины хода сошника составит tj = 0,095 с. Во втором случае параметры сошниковой группы составят с2 = 126 Н/рад, ср0 = 0,212 рад, ак=55 (кривая 3) при времени восстановления равном = 0,175 с
В тоже время при скорости Vo= 2,l м/с траектория движения сошниковой группы при сі = 224 Н/рад, сро = 0,136 рад, ак = 55 представляет собой затухающие колебания (кривая 2) с k = 25,0 п = 15,1 и время её выхода на установившийся режим движения составит t2 = 0,078 с.
При меньшей скорости агрегата (V0 = 0,94 м/с) и с2 = 126 Н/рад, ср0 = 0,212 рад, а=55 движение сошника при переходном процессе имеет апериодическую траекторию с п = 24,3 k = 19,4 (кривая 4) и время возвращения сошниковой группы в зону допустимых пределов отклонений от установившегося режима движения равно t4 = 0,162 с.
Анализ траекторий движения сошников с жёсткостью пружины сошниковой группы С] = 224 Н/рад выявил, что повышение скорости перемещения агрегата снижает время переходного процесса (t2 tj), но при с2 = 126 Н/рад рост скорости увеличивает временной промежуток переходного процесса (t4 t3), что обусловлено меньшим углом сро отклонения сошника при достижении сошниковой группой динамического равновесия. Анализ переходного движения системы с различной жёсткостью Cj и с2 пружин подвеса сошника показало, что сошниковая группа с более жёсткими пружинами обладает меньшим временем переходного процесса (t2 t3), что обеспечивает более стабильный процесс высева семян. При этом излишнее увеличение жёсткости пружины сошниковой группы ухудшает качество копирования микрорельефа и приводит к возрастанию нагрузки на брус крепления сошников.
Для соблюдения баланса между минимизацией времени движения сошниковой группы вне допустимых агротехническими требованиями пределов отклонения глубины хода и минимальной металлоёмкостью механизма подвеса сошника требуется найти суммарную реакцию Pz от сил, воздействующих на сошниковую группу, в точке её крепления на брусе раме.
При поступательном перемещении сошника в почве на него действуют силы в продольно-вертикальной Р1Х и продольно-горизонтальной Р2Х плоскости. В продольно-вертикальной плоскости действуют следующие силы: Gmg -усилие от веса сошника, Рпр - усилие от действия пружины кручения, составляющая тягового усилия Р1Х и сопротивление R] почвы, разложенное на составляющие: нормальную N] и касательную Fmp (рис. 2.18, а), которые при работе в однородной по составу почве можно свести к одной равнодействующей в продольно-вертикальной плоскости [315].