Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1 Обоснование необходимости создания почвообрабатывающего посевного агрегата 8
1.2 Обзор конструкций существующих почвообрабатывающих посевных' агрегатов 13
1.3 Анализ рабочих органов почвообрабатывающих посевных машин 16
1.4 Анализ работ по изучению и обоснованию параметров комбинированных агрегатов и их рабочих органов 18
1.5 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 21
2 Методика теоретических и экспериментальных исследований
2.1 Общие положения 24
2.2 Программа исследований 27
2.3 Методика получения исходной информации 28
2.4 Методика проведения теоретических исследований 29
2.5 Методика экспериментальных исследований 31
2.5.1 Программа экспериментальных исследований 31
2.5.2 Объект исследования. Планирование опытов. Приборы и оборудование 32
2.5.3 Методика определения основных агротехнических показателей 36
2.5.4 Методика определения энергетических показателей 38
2.5.5 Методика обработки экспериментальных данных 42
3 Обоснование конструктивной схемы и параметров почвообрабатывающего посевного агрегата 45
3.1 Расчётная схема и кинематическая модель агрегата 45
3.2 Определение ширины захвата искорости движения агрегата 51
3.3 Выбор рационального расстояния между рабочими органами 55
3.4 Выбор рационального расстояния между рядами рабочих органов 59
3.5 Определение вертикальных перемещений точек крепления рабочих органов к раме 60
3.6 Обоснование длины прицепного устройства из условия устойчивости орудия в горизонтальной плоскости 64
4 Обоснование рациональных параметров ППА 72
4.1 Исследование влияния параметров ППА на его силовые характеристики 72
4.2 Обоснование'параметров рабочего органа 76
4.2.1 Обоснование расстояния от лапы до прикатывающего катка 77
4.2.2 Обоснование угла наклона и дины звеньев параллелограммного механизма 78
4.3 Выбор параметров ППА 90
5 Внедрение ППА в производство и расчёт экономической эффективности... 95
5.1 Разработка ресурсоэнергосберегающего противоэрозионного почвообрабатывающего посевного агрегата 95
5.2 Экономическая эффективность использования ППА-5,4 102
Общие выводы 108
Список литературы 111
Приложения 121
- Обоснование необходимости создания почвообрабатывающего посевного агрегата
- Методика получения исходной информации
- Расчётная схема и кинематическая модель агрегата
- Обоснование длины прицепного устройства из условия устойчивости орудия в горизонтальной плоскости
Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные технологии подготовки почвы и посева сельскохозяйственных культур предусматривают многократные проходы агрегатов с почвообрабатывающими и посевными машинами по полю. Для уменьшения затрат упрощается технология возделывания сельскохозяйственных культур, что снижает культуру земледелия и урожайность.
Эффективным путём уменьшения затрат на возделывание зерновых культур является сокращение количества проходов агрегатов при обработке почвы и посеве за счет применения комбинированных и универсальных машин, совмещающих несколько технологических операций за один проход агрегата.
В крестьянских и фермерских хозяйствах эффективными являются универсальные тракторы тягового класса 2, которые могут быть использованы в течение всего года. Однако комбинированные почвообрабатывающие и посевные машины для тракторов такого класса не выпускаются.
В связи с этим тема диссертационной работы, направленная на разработку комбинированного почвообрабатывающего посевного агрегата (ППА) для тракторов тягового класса 2, является актуальной и имеет народнохозяйственное значение.
Работа выполнена согласно межведомственной координационной программе по направлению 02.01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства», где Челябинский государственный агроинженерный университет является исполнителем.
Цель исследования. Разработать почвообрабатывающий посевной агрегат для тракторов тягового класса 2, обеспечивающий выполнение агротребований по глубине обработки почвы.
Задачи исследования
1. Разработать расчётную схему и составить математическую модель процесса работы почвообрабатывающего посевного агрегата при движении по неровностям рельефа поля.
2. Исследовать процесс работы почвообрабатывающего посевного агрегата и обосновать конструктивные параметры культиваторной части ППА.
3. Разработать расчётную схему рабочего органа на параллелограммной подвеске и получить аналитические зависимости для определения его параметров.
Объект исследования. Технологический процесс работы почвообрабатывающего посевного агрегата.
Предмет исследования. Зависимости влияния конструктивных параметров почвообрабатывающего посевного агрегата и рабочего органа на агротехнические и энергетические показатели их работы.
Научная новизна положений, выносимых на защиту.
Разработана и реализована математическая модель процесса работы почвообрабатывающего посевного агрегата при движении по неровностям рельефа поля.
Установлены рациональные параметры ППА, обеспечивающие минимальные вертикальные перемещения точек крепления рабочих органов к раме.
Обоснованы рациональные параметры рабочего органа на индивидуальной параллелограммной подвеске с учётом перемещений рамы и опорного катка при движении по неровностям рельефа поля.
Получены зависимости для настройки рабочего органа на заданные условия работы.
Практическая ценность работы и реализация её результатов
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований обоснованы схема и основные конструктивные параметры почвообрабатывающего посевного агрегата к тракторам тягового класса 2; разработана чертёжно-техническая документация, которая переданы в ЗАО ИПП «ТехАртКом» (г. Челябинск), где изготовлен опытный образец ППА-5,4. В Уральском испытательном центре сельскохозяйственной техники проведены предварительные испытания агрегата ППА-5,4.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ЧГАУ (г. Челябинск, 2005-2007 гг.), на конференции студентов и аспирантов Уральской ГСХА (г. Екатеринбург, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 научных работ, в том числе один патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 46 рисунков, состоит из пяти глав, выводов и рекомендаций, 8 приложений. Список использованной литературы включает 118 наименований.
Обоснование необходимости создания почвообрабатывающего посевного агрегата
Традиционные технологии подготовки почвы и посева сельскохозяйственных культур, используемые в большинстве хозяйств, предусматривают многократные проходы агрегатов с различными почвообрабатывающими и посевными машинами по полю. При этой технологии затраты на поддержание в рабочем состоянии изношенного парка сельскохозяйственной техники, на ГСМ на проведение полевых работ очень высоки. Из-за недостатка финансовых ресурсов упрощается технология возделывания сельскохозяйственных культур, снижаются культура земледелия и урожайность. При этом ухудшается качество продукции, повышается её себестоимость, увеличивается засоренность полей, снижаются плодородие и экологические показатели почвы.
Самый эффективный путь снижения затрат на возделывание зерновых культур - уменьшить количество операций при обработке почвы и посеве за счет применения комбинированных и универсальных машин, выполняющих за один проход агрегата несколько технологических операций. Такой подход к решению этой проблемы требует разработки современных ресурсоэнергос-берегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Внедрение энергоресурсосберегающей технологии предусматривает сокращение числа обработок, замену глубоких обработок мелкими поверхностными, механической обработки междурядий пропашных культур и паров -химической, совмещение ряда технологических операций и приемов в за счет применения комбинированных машин. Это устраняет чрезмерное уплотнение почвы многократными проходами тяжелых орудий и тракторов.
Истоки минимализации обработки почвы в нашей стране относятся к концу XIX века. Еще Д.И. Менделеев предупреждал, что очень многие впа дают в ошибку, полагая, что чем больше раз вспахать, тем лучше. На нецелесообразность глубокой запашки верхних наиболее плодородных слоев почвы и вред от интенсивной механической обработки чистых паров в засушливых условиях указывал П.А. Костычев (1885 г.) [52]. Рациональные идеи минима-лизации обработки почвы степных районов содержатся в работах И.Е. Ов-синского (1889 г.) [82] и Н.М. Тулайкова (1930 г.) [49, 109,110].
Многочисленные исследования по почвозащитной обработке земли в Западной Сибири проводил А.А. Конев [47, 48]. Но особенно сильное влияние на развитие теории и практики минимализации обработки почвы оказали работы почетного академика ВАСХНИЛ Т.С. Мальцева (1953 г.) [71,72] и академика А.И. Бараева (1965-1970 гг.) по безотвальной разноглубинной системе обработки почвы [6 - 10, 90].
Разработка приемов и технологий минимальной обработки почвы должна проводиться дифференцированно, с учетом почвенно-климатических особенностей. Вместе с тем результаты исследований и практика показывают, что важнейшими и общими для всех зон условиями эффективной минимализации обработки почвы являются высокий уровень культуры земледелия, четкое выполнение технологии, проведение механизированных работ в оптимальные (сжатые) сроки и с отличным качеством, правильное использование эффективных гербицидов, применение достаточных доз удобрений и высокая техническая вооруженность хозяйства [86].
Вот почему в корне неверны представления о минимализации обработки почвы как об упрощенной, примитивной технологии. Бесспорные преимущества минимализации могут проявляться только при техническом перевооружении земледелия, а также при обеспечении хозяйств удобрениями, эффективными гербицидами и высокопроизводительной техникой для их применения, при резком сокращении сроков и повышении качества выполнения полевых работ.
На основе многочисленных исследований энергоресурсосберегающих технологий установлено, как обрабатывать почву, какие культуры и сорта возделывать [21, 38, 94, 103, 104, 114 - 116]. Однако эффективных орудий для выполнения этих условий пока недостаточно. Минимализация обработки почвы подразумевает уменьшение числа и глубины обработок в севообороте и совмещение технологических операций и приемов. Целесообразность совмещения таких операций, как культивация, посев, прикатывание и мульчирование, обоснована следующим: - семена высеваются в свежеобработанную влажную почву, что обеспечивает их высокую и дружную всхожесть; - сокращается число проходов машинно-тракторных агрегатов по- полю, что снижает уплотнение почвы; - снижается общая энергоемкость обработки почвы и посева, повышается производительность труда, уменьшается расход топлива, сокращаются затраты средств; - уменьшается влияние неблагоприятных погодных условий за счёт сокращения сроков полевых работ; - полнее загружаются трактора, что обеспечивает наиболее эффективное их использование на небольших участках, где использование широкозахватных агрегатов затруднено [30, 46].
При минимальной обработке почвы ставится цель уменьшить нарушение естественного сложения почвы и как можно лучше сохранить слой растительных остатков. При этом можно выделить следующие положительные моменты [25, 33, 41, 42, 62, 63, 68, 79, 91, ИЗ]: - при минимальном нарушении сложения почвы сохраняется большая часть естественных каналов почвы и трещин, создются лучшие условия для передвижения влаги, что играет важную роль для сохранения почвенной влаги, предотвращения застоя воды на поверхности почвы, смыва почвы и водной эрозии; - на не затронутой механической обработкой поверхности почвы прорастание сорняков менее вероятно; - увеличивается количество органического вещества, содержащего питательные элементы и являющегося связующим и оструктуривающим компонентом, который определяет подверженность почвы эрозии, аэрацию и водно-физические свойства. - посевные машины, воздействующие на небольшую часть почвы, потребляют меньше топлива; - стоящая стерня задерживает снег и уменьшает поверхностное испарение влаги; - слой растительных остатков защищает почву от воздействия ветра и воды, которое вызывает эрозию почвы; кроме того, растительные остатки защищают почву от губительного воздействия капель дождя, удары которых отделяют частицы почвы от её поверхности; растительные остатки, оставленные на поверхности, образуют своего рода плотины, задерживающие воду, которую почва может поглотить позже; задерживаются и почвенные частицы, тем самым сокращают количество почвы, смываемой с поверхности земельного участка.
Методика получения исходной информации
Почвообрабатывающие агрегаты работают в условиях изменяющихся внешних воздействий,вызывнных от неровностями поверхности поля и физико-механическими свойствами почвы, которые ведут к неравномерной загрузке трактора и изменению агротехнических показателей работы агрегата.
Все это говорит о необходимости разработки конструктивной схемы и параметров ППА, отвечающих агротехническим требованиям при изменяющихся возмущающих воздействиях. Для этого необходимо построение расчетной схемы, которая бы наиболее полно отражала реальные условия функционирования агрегата для обработки почвы.
Если рассматривать функционирование почвообрабатывающего посевного агрегата (как и любой другой сельскохозяйственной машины) как реакцию на внешние возмущения и управляющие воздействия, то наиболее подходящей расчетной схемой любой машины будет схема по принципу вход - выход. В такой схеме в качестве входных переменных принимаются условия работы и управляющие воздействия (со стороны водителя или управляющих устройств), которые представляют собой конкретные физические величины (силы, моменты сил, перемещения и др.), а в качестве выходных - совокупность параметров, которые определяют качество работы машины, энергетические и технико-экономические её показатели, прочностные свойства и др.
Такой подход к построению модели функционирования сельскохозяйственной машины определяет ее как динамическую систему, осуществляющую преобразование входных возмущающих и управляющих воздействий в выходные (рисунок 2.1).
Эту модель в операторной форме можно записать как где = {fl,f2,...,fm} - вектор внешних входных показателей, описывающих условия работы агрегата; W = {w1,w2,...,wn} - вектор выходных показателей, характеризующих эффективность технологического процесса работы агрегата; X = {xi,x2V..,xk} - вектор внутренних входных показателей, характеризующих конструктивные и технологические параметры агрегата (схему и параметры рамы и рабочих органов, координаты опорных колес и механизмов навески и т.д.); S - оператор системы, характеризующий ее управляемость и зависящий от параметров агрегата.
Построение модели функционирования агрегата состоит в определении вида оператора S = S(X), который является алгоритмом преобразования входных показателей F в выходные W. Если учитывать, что оператор S характеризует передачу энергии, то критерием оценки работы агрегата будут выступать эксплуатационные свойства, выраженные вектором W = {KE,C}. Здесь КЕ- показатели эффективности, характеризующие качество выполнения технологического процесса обработки почвы агрегатом; С- экономические показатели, характеризующие затраты на выполнение технологического процесса. Последние зависят от границ исследуемого объекта, т.е. от показателей векторах.
Необходимо отметить, что наиболее существенной особенностью составляющих входного вектора F, определяющего условия работы машин, является то, что они относятся к категории случайных в вероятностно-статистическом смысле, т. е. таких компонентов, значения и характер измене ния которых могут быть установлены лишь в результате опыта. Поэтому и составляющие выходного вектора Y, определяющего показатели работы агрегата, такие, как равномерность глубины заделки семян, расход энергии и др., также будут случайными в вероятностно-статистическом смысле.
Исходя из этого, в ходе проектирования и создания почвообрабатывающего посевного агрегата, при рациональных параметрах рабочих органов, должны быть решены задачи, связанные с необходимостью обосновать: - оптимальные сочетания ширины захвата и скорости движения агрегата при различной глубине обработки и свойствах почвы; - рациональное расположение рабочих органов, опорных колес, шарниров боковых секций, длины прицепного устройства; - рациональные параметры рабочего органа.
В существующих концепциях проектирования почвообрабатывающих машин на первый план выдвигаются вопросы комплексной автоматизации процесса проектирования, которые базируются- на математическом описании процесса функционирования агрегата и его оценке по выбранным критериям.
С точки зрения системного анализа в процессе проектирования почвообрабатывающих машин можно выделить следующие основные этапы [111] (рисунок 2.2):
Расчётная схема и кинематическая модель агрегата
Анализ конструктивных схем почвообрабатывающих, посевных агрегатов [45] показал, что наиболее приемлемым является агрегат, в котором бункер с высевающей системой и сошниковая часть находятся на автономных рамах, поскольку их объединение на одной раме делает нерациональным использование агрегата на культивации; кроме того, изменяющаяся-масса бункера оказывает влияние на постоянство глубины хода (изменяется-глубина погружения опорных колёс в почву). Причём в зонах, подверженных ветровой эрозии, бункер-прицеп должен располагаться перед культиваторной частью, чтобы не нарушать слой мульчи, оставленный после заделки семян:
Рама культиваторной части должна быть, секционной, что обеспечит лучшее копирование неровностей рельефа поля а также возможности транспортирования по дорогам общего назначения.
Для обоснования конструктивной схемы рассмотрим кинематическую модель почвообрабатывающего посевного агрегата, которая может быть получена при следующих основных допущениях: движение агрегата изучается независимо от сил, действующих на него; рассматриваются только малые колебания агрегата относительно равновесных положений; рельеф поверхности поля предполагается стационарной случайной функцией, не изменяющейся, после прохождения агрегата. Тогда опорные, колеса агрегата, безотрывно копируют соответствующие неровности рельефа поля. Рабочие органы орудия не испытывают воздействия от неравномерности сопротивления-почвы.
Кинематическая модель прицепного почвообрабатывающего посевного агрегата , может , быть представлена колебаниями агрегата в продольно-вертикальной и поперечно-вертикальной плоскостях. Такое упрощение дает возможность существенно облегчить изучение равномерности движения агрегата и получить приемлемые результаты при практических расчетах основных геометрических параметров орудия.
В продольно-вертикальной плоскости, согласно расчетной схеме, представленной на рисунке 3.1, движение агрегата можно описать следующими обобщенными координатами: линейными вертикальными перемещениями Z2K(X), М, центра оси задних колес трактора и угловыми перемещениями (p t) трактора, (p2(t) прицепа-бункера и (p3(t) культиватора в продольно-вертикальной плоскости.
Тогда возмущения от неровностей рельефа поля Z K(X), Zini :(t), г2Лк(0, Z2nK(t), м, под левыми и правыми колесами трактора вызывают вертикальные перемещения zT(t), м, точки прицепа бункера к трактору: 2злк00 - высота профиля рельефа поля под левым колесом бункера, м; 2зпк(Х) — высота профиля рельефа поля под правым колесом бункера, м.
Вертикальные перемещения zB(t), м, и возмущения от неровностей рельефа поля г4цЛ(і), г4цп(Х), м, под левым и правым опорными колесами центральной секции культиватора вызывают вертикальные и угловые перемещения рамы культиватора (рисунок 3.2).
Расстояние hju(t), м, от любой точки рамы центральной секции ППА до поверхности поля под ней, учитывая её перемещения в продольно-вертикальной и поперечно-вертикальной плоскости, определются как
ХІЦ - координата і-й точки центральной секции ППА по оси х, м;, УІЦ - координата і-й точки центральной секции ППА по оси у, м; УдОО — угловые перемещения k центральной секции в поперечно-вертикальной плоскости;
Уцлз Уцп - координаты соответственно левого и правого опорных колес центральной секции ППА, м; hK - расстояние от нижней части колеса до рамы, м; Ziu(t) — высота профиля рельефа поля под точкой рамы центральной секции ППА с координатами (хіц; уіц). Расстояние пшл(і), м, от левого шарнира до поверхности поля под ним определяется по зависимости ПшлО) = (хшл(і) - Хк фз(і) + ушл -і/ц(і) + z4uK(t) + hK - zmJI(t), (3.12) где хшл - координата x левого шарнира, м; ушл - координата у левого шарнира, м; гшл - высота неровности рельефа поля под левым шарниром. Величина вертикальных перемещений правого шарнира пшп, м, определяется как hum(t) = (Xmn(t) - XK) p3(t) + Упш"Уц( ) + Z4mc(t) + hK - Zmn(t), (3.13 ) где хшп - координата правого шарнира по оси х, м; Ушп - координата правого шарнира по оси у, м; гшп - высота неровности рельефа поля под правым шарниром.
Зная расстояния пшл(і) и hmn(t), м, от левого и правого шарниров до поверхности поля под ними, а также неровности рельеф поля под опорными коле сами левой и правой боковых секций ППА г4лО0 и Z4n(t), м, можно определить расстояние от любой точки рамы боковых секции ППА до поверхности поля под этой точкой в любой момент времени. Для левой секции hm(t) = (Хіл - xK)-(p3(t) + (уїл - ушл)-\/л(і) + пшл(х) + zmjI(t) - гіл(т), (3.14) где хіл — координата і-й точки левой секции по оси х, м; УІЛ - координата і-й точки левой секции по оси у, м; \/n(t) — угловые перемещения левой секции в поперечно-вертикальной плоскости; ЫЪ = (hma(t) + Znm(t) - hK + z4ji(t))/(yj] - ушл); (3.15) ул - координата опорного колеса левой секции по оси у, м; Zjn(t) — высота неровности рельефа поля под точкой рамы левой секции ППА с координатами (хщ; ущ). Для правой секции hin(t) = (хІП - хк)-ф3(і) + (уіп - Ушп Vn(t) + (hmn(t) + zmn(t) - zin(t)), (3.16) где xm - координата і-ой точки правой секции ППА по оси х, м; УІП - координата і-ой точки левой секции ППА по оси у, м; n(t) — угловые перемещения левой секции в поперечно вертикальной плоскости
Обоснование длины прицепного устройства из условия устойчивости орудия в горизонтальной плоскости
Полученные кривые показывают, что каждый из параметров хк, Уц, Уь Уш, LK существенно влияет на устойчивость хода рамы при постоянных значениях других параметров. Рациональные значения этих параметров близки к граничным и соответствуют расположению опорных колёс на уровне крайних рабочих органов в поперечном направлении и вне зоны распространения деформации в почве в продольном направлении на расстоянии 2атах {атах — максимальная глубина хода рабочих органов). Увеличение расстояния между опорными колесами центральной секции в поперечном направлении более 2,2 м практически не сказывается на среднеквадратическом отклонении равномерности хода рамы. Рациональным является положение шарниров, когда суммарная ширина захват боковых секций равна ширина захвата центральной секции.
Увеличение длины прицепа ведет к уменьшению вертикальных перемещений, но в увеличении более 3,5 метров нет смысла, поскольку дальше скорость изменения среднеквадратичного отклонения незначительна.
Таким образом, для рассматриваемого трехсекционного ППА, учитывая его вертикальные перемещения при движении по неровностям рельефа поля, можно рекомендовать следующие параметры: длина прицепного устройства LK = 3,5...4,0 м, положение шарниров относительно оси симметрии должно лежать в пределах уш= 1,2...1,5 м, расстояние между опорными колесами центральной секции 2уц = 1,8...2,5 м, опорные колеса боковых секций должны стоять на уровне крайних рабочих органов (уБ = 2,7 м).
Зная вертикальные перемещения рамы, значит, и вертикальные перемещения точек крепления рабочих органов к раме, можно определить рациональные параметры рабочего органа.
Длина прицепного устройства (расстояние от точки прицепа до центра сопротивления почвообрабатывающей части агрегата) оказывает значиетльное влияние на устойчивость хода агрегата в горизонтальной плоскости. Согласно агротехническим требованиям к посеву допускается среднеквадратическое отклонение траектории движения рабочих органов от среднего значения на ± 5 см. Тогда наибольшее отклонение траектории движения рабочих органов от среднего значения траектории движения агрегата составляет ±15 см.
Таким образом, для определения минимально допустимого значения длины прицепного устройства необходимо определить величину отклонения глубины хода рабочих органов от среднего значения АЬ при максимальной величине возмущающей силы и различных значениях длины прицепного устройства.
Для этого рассмотрим рабочий процесс прицепного агрегата в горизонтальной плоскости при условии, что свойства почвы и глубина обработки постоянны.
Рабочая схема имеет вид представленный на рисунке 3.12; тогда силы, действующие на рабочие органы, силы трения рабочих органов, горизонталь ную составляющую реакции почвы на опорные колёса можно заменить одной равнодействующей, расположенной в точке О (центр сопротивления почвообрабатывающего посевного агрегата). При этом скорость движения агрегата остаётся постоянной, агрегат симметричен и центр тяжести почвообрабатывающего агрегата совпадает с направлением силы тяги трактора.
Однако в действительности в процессе работы свойства почвы и глубина обработки изменяются, что ведёт к изменению сил, действующих на отдельные рабочие органы, и появлению возмущающего момента, вызывающего колебания орудия в горизонтальной плоскости.
Пусть под действием этого момента орудие развернулось на угол 0М и точка приложения силы сопротивления плуга R смещается от траектории движения агрегата на величину г.
