Содержание к диссертации
Введение
2. Состояние вопроса и задачи исследования 7
2.1. Условия работы плантажных пахотных агрегатов и агротехнические требования к плантажной вспашке 7
2.2. Технические средства для подготовки поля и плантажной пахоты 10
2.3. Анализ научных исследований работы плантажных плугов 14
2.4. Вывода, рабочая гипотеза и задачи исследований 30
3. Программа и методика исследований 36
3.1. Программа исследований 36
3.2. Методика экспериментальных исследований и необходимые приборы, оборудование и технические средства для их проведения 37
3.3. Методика оценки экономической эффективности применения усовершенствованного навесного плантажного плуга 46
3.4. Обработка результатов измерений и экспериментальных данных 48
3.5. Методика определения качественных и энергетических показателей усовершенствованного плуга в сравнении с серийным 50
4. Результаты исследований и их анализ 53
4.1. Анализ сил, возникащих в системе механизма навески трактор-плантажный плуг 53
4.2. Определение силовых и геометрических факторов, влияющих на устойчивость движения плуга 62
4.3. Исследование процесса неуправляемого поворота передней полурамы трактора K-70I от действия асимметрично приложенной к нему нагрузки 77
4.4. Влияние параметра УР - положения опорного ролика стабилизирующего устройства относительно ЦВ плуга и величины 2> - расстояния от плоскости полевой доски до стенки борозды, на устойчивость движения плантажного плуга в горизонтальной плоскости 82
4.5. Буксование тракторов К-70І и Т-І30 при работе с усовершенствованным и серийным навесным плантажным плугами 90
4.6. Выбор скоростных режимов работы пахотных агрегатов и агротехническая оценка плантажной вспашки серийным и усовершенствованным плугами 92
5. Оценка эффективности использований усовершенствованного навесного плантажного плуга ППН -50 97
6. Выводы 106
6.2. Предложения производству 108
Литература 109
Приложения 124
- Условия работы плантажных пахотных агрегатов и агротехнические требования к плантажной вспашке
- Методика экспериментальных исследований и необходимые приборы, оборудование и технические средства для их проведения
- Анализ сил, возникащих в системе механизма навески трактор-плантажный плуг
- Определение силовых и геометрических факторов, влияющих на устойчивость движения плуга
Условия работы плантажных пахотных агрегатов и агротехнические требования к плантажной вспашке
Сады, ягодники, виноградники, новые лесные насаждения воз-делываются в различных зонах СССР, поэтому плантажные пахотные агрегаты работают в самых разнообразных почвенных условиях.В горных районах плантажные пахотные агрегаты работают на каменистых почвах. Поля, засоренные камнями, требуют дополнительных затрат на их освоение. Так, например, чтобы произвести плантажную вспашку поля, засоренного камнями, прежде всего проводят рыхление почвы и таким образом обнаруживают камни больших размеров, затем выкапывают их и вывозят /4, 15, 138/.
На полях, раскорчеванных от кустарников, в почве остается большое количество корней, которые имеют длину в несколько метров и большую прочность. Эти корни рвут с помощью рыхления, которое предшествует плантажной вспашке. Рыхление способствует уменьшению слитности пахотного слоя и в процессе вспашки уменьшает сопротивление оборачиваемого пласта. После перечисленных работ следует плантажная вспашка /76, III/.
Предварительные работы по подготовке поля под плантажную вспашку создают более благоприятные условия для работы пахотных агрегатов, но все же процесс вспашки остается сложным. Наличие мелких камней и корневых остатков оказывают большое сопротивление передвижению агрегата, ухудшают его устойчивость.
В равнинных условиях на черноземах, суглинках, песчаниках работа плантажных пахотных агрегатов имеет также свои особенности.
На черноземах, глинистых почвах оборачиваемые почвенные слои оказывают большое сопротивление рабочим органам плантажных плугов. Под воздействием горизонтальной составляющей сил, действующих на лемешно-отвальную поверхность, корпус плуга сильно нагружается, возникают большие напряжения в местах крепления стойки корпуса к раме, рама плуга как бы скручивается, полевая доска, воспринимая реактивные силы со стороны стенки борозды и возникающие при этом силы трения, находится также в напряженном состоянии, сильно изнашивается, разрушается стенка борозды - и все это вызывает перекос плуга /138, 139/.
На песчаных почвах плантажную вспашку производить значительно легче, но качество ее очень низкое. При вспашке песчаных почв плантажные плуги ведут себя неустойчиво. Обладая большой сыпучестью, песчаные почвы слабо сопротивляются давлению полевой доски, что и вызывает неустойчивую работу плуга /135/.
Плантажная вспашка создает необходимые условия водно-воздушного и теплового режимов почв, способствует формированию их структурного сложения. В пределах пахотного слоя уменьшается плотность и твердость почвы, что положительно влияет на развитие корней растений.
Плантажной вспашке во многих случаях предшествует подготовка поля.
Поле, предназначенное под вспашку, должно быть очищено от кустарников, камней, иметь ровную поверхность. При наличии в почве камней, валунов, пней и корневых остатков, проводят рыхление рыхлителями на глубину 0,5...0,8 м.
Перед вспашкой рекомендуется вносить в почву 40...60 т пе репревшего навоза на I га, минеральных удобрений - гранулированного суперфосфата 1,0...1,5 т или фосфорной муки 0,2...0,3 т на I га, калийной соли 0,4...0,6 т на I га. Этими приемами достигается улучшение физических свойств почвы, повышается ее воздухо- и водопроницаемость, увеличивается плодородие, создаются условия для развития микроорганизмов, значительно ослабляется нежелательное воздействие на растения низких температур, избытка и недостатка вода, а также тех или иных вредных веществ.
Плантажная вспашка может быть произведена с полным оборотом пласта и без оборота пласта. В большинстве случаев вспашку осуществляют в виде перевала, т.е. поверхностный гумусный слой почвы перемещают вниз, а нижний поднимают на дневную поверхность, чем значительно улучшают условия питания растений и обеспечивают достаточно глубокое распространение корней.
Плантажную вспашку на склонах с крутизной до 8 проводят прямолинейно, поперек склона. Качество плантажа проверяется измерением расстояния между гребнями по диагонали участка через 25...50 м, оно должно соответствовать ширине захвата плуга. Не допускается наличие огрехов.
На почвах с малоплодородным верхним слоем глубокую обработку почвы проводят без оборота пласта. Это достигается тем, что с плантажного плуга снимают предплужник и плуг в этом случае поворачивает пласт на 40...45.
В случае, когда подстилающий почву слой представляет собой песок, сплошной плантаж недопустим, так как это приведет к ухудшению свойств почвы.
Методика экспериментальных исследований и необходимые приборы, оборудование и технические средства для их проведения
Для проведения экспериментальных исследований в качестве объекта исследований был выбран серийный навесной плантажный плуг ШШ-50. Техническая характеристика плуга приведена в таблице 3.1. Исследования плуга проводились с приспособлением, повышащим устойчивость хода плуга в горизонтальной плоскости /10, 121, 122/.
При проведении экспериментальных исследований, связанных с определением энергетических и агротехнических показателей, плуг ШШ-50 агрегатировали с тракторами T-I30 и K-70I.
Тяговое сопротивление плуга определялось с помощью тензо-метричееких пальцев, вмонтированных в навесную систему плуга.
Тензометрические пальцы крепились гайками, которые предохраняли пальцы от поворота и фиксировали их в заданном положении (рис. 3.1). Пальцы имеют сверления для размещения соединительных проводов и на торцах разъемы для подключения кабелей.
Стабилизирующее устройство крепилось к долевой доске (рис. П.2.1). Фиксация заданного положения опорного ролика осуществлялась путем совмещения отверстий 8 и 9 на внутреннем и наружном брусах. Отверстия 9 (рис. 3.3) размещались на внутреннем брусе с интервалом =0,15 м.
Датчики 10 для регистрации усилий, действующих на опорний ролик, наклеивались на подвижном брусе.
Измерение угла отклонения плантажного плуга от направления движения в горизонтальной плоскости осуществлялось с помощью гироскопического прибора АПЇ-І. Прибор устанавливался на раме плуга в точке, совпадающей со следом центра тяжести.
Перед началом движения пахотного агрегата ось гироскопического двигателя прибора ориентировалась перпендикулярно направлению движения агрегата. В дальнейшем это положение оси гироскопического двигателя сохранялось.
Таким образом, в момент изменения положения рамы плуга относительно первоначального положения (направление движения) между осью двигателя прибора и направлением движения центра тяжести плуга угол изменялся. Величина изменения угла регистрировалась потенциометри-ческим датчиком, сигнал которого фиксировался на ленте осциллографа.
Для измерения угла поворота передней полурамы трактора К-70І использовали реохордный датчик МУ-6ІІ (рис. 3.4). Датчик I установлен в месте соединения передней и задней полурам, на вертикальном шарнире 2, причем сам датчик установлен на оси вертикального шарнира, а его поводок 4 соединен с задней полурамой 5.
Для определения буксования трактора К-70І на всех его четырех колесах установлены прерыватели (рис. П.2.2). Прерыватели обеспечивают шесть прерываний за один оборот колеса трактора.
Для определения буксования гусеничного трактора изготовили специальные приспособления (рис. 3.5). Они представляют собой упругие металлические пластины I, которые крепят к торцам левого и правого крыльев со стороны навески трактора. При движении почвозацеп 2 своим ребром касается пластины, и цепь замыкается - на осциллограмме появляется отметка. Измерение пути, пройденного агрегатом за время опыта, производилось с помощью путевого колеса.
Общие вопросы выполнения тензометрирования, определяющие выбор осциллографа, усилительной аппаратуры, типа датчиков, возможные способы их установки решались на основе рекомендаций, достаточно полно представленных в литературе /35, 70, 82, 83, 88, 119/. В качестве чувствительных элементов использовались фольговые тензодатчики сопротивления типа ФКПА-50, соединенные по мостовой схеме.
На сияоизмерительных звеньях, работающих на изгиб, датчики наклеивались попарно на противоположных сторонах балок. Для регистрации оборотов путевого колеса использовались герметические контакты, управляемые магнитом. Герконы закреплялись на неподвижных частях установки, а магниты крепились на вращающихся.
Тарировку верхнего тензометрического пальца производили с помощью образцового динамометра ДОСИ-3 непосредственно на плуге (рис. П.2.3, табл. ІЇ.2.І).
Верхний тензометрический палец позволил записать на ленту осциллографа результирующее усилие, действующее в верхней тяге механизма навески трактора.
Тарировка нижних пальцев и подвижного тензобруса стабилизатора устойчивости проводилась на специально изготовленной тарировочной установке (рис. 3.6). Нагрузка осуществлялась с помощью гидравлического домкрата грузоподъемностью 5 т через образцовый динамометр ДОСМ-5 в плоскости изгиба пальца на плуге (рис. П.2.4, табл. П.2.2; рис. П.2.5, табл. П.2.3, табл. 1.2.4).
Анализ сил, возникащих в системе механизма навески трактор-плантажный плуг
Многими исследователями используются тензометрические пальцы навесной системы для определения реакции почвы на плуг. Некоторые из них этим же способом, как они считали, определяли и вертикальную реакцию почвы /83/.
Однако, учитывая, что золотник распределителя гидросистемы при вспашке находится в плавающем положении, следует усомниться в правильности таких измерений. К этому следует добавить, что в научной литературе отсутствует подробный анализ усилий, действующих в навесной системе трактор-плуг, и нет методики расчета результирующего тягового сопротивления плуга с использованием экспериментальных данных /60/.
Прежде чем приступить к рассмотрению затронутых вопросов, отметим, что элементы навесной системы (верхняя и нижние тяги) соединены с трактором и плугом с помощью сферических шарниров, что практически исключает появление в тягах изгибающих усилий. Следовательно, усилия в навесной системе действуют вдоль осей тяг, и эти же усилия являются равнодействующими. В силу этого тензометры, наклеенные на тензопалец, в момент его изгиба будут фиксировать не результирующее усилие, а его составляющую / или Рп (рис. 4.1) при условии, что нижние тяги будут го Поскольку плуг - асимметричное орудие, то силы, действую ще на левый и правый пальцы, различны. Проведенный эксперимент по определению усилий, действующих в нижних пальцах навески, в зависимости от положения опорного ролика стабилизатора устойчивости, подтвердил данное предположение.
Экспериментальная зависимость изменения усилий в нижних пальцах навески представлена на рис. 4.2 и 4.3 (табл. П.З.І),
Из рисунка 4.2 видно, что с увеличением Хр усилие Р„ , действующее в правом пальце навески, снижается, а в левом пальце Рл - возрастает. Это явление характерно для работы плуга с обоими тракторами T-I30 и K-70I. При установке на плуг стабилизатора устойчивости, усилие в правом пальце с изменением положения опорного ролика уменьшается, а в левом почти не изменяется.
Известно, что система управления поворотом трактора K-70I соединяет переднюю и заднюю полурамы с помощью двух гидроци-линдров. Эти цилиндры осуществляют поворот полурам относительно вертикального шарнира, обеспечивая вход трактора в поворот и выход его из поворота /126/. Согласование углов поворота рулевого колеса и полурам трактора обеспечивает следяще.е устройство /128/. Такая работа механизма поворота трактора K-70I наблюдается при его самостоятельном движении и с симметричной нагрузкой на крюке, т.е. когда в гидроцилиндрах управления поддерживается одинаковое давление масла. Управление трактором при асимметричной нагрузке на крюке усложняется. Это объясняется тем, что асимметрично приложенная нагрузка на крюке способствует возникновению сил, которые нарушают устойчивость хода пахотного агрегата, стремятся развернуть агрегат в ту или другую сторону от прямолинейного движения /120/.
В этом случае передняя полурама трактора развернута на угол от направления движения, что вызывает затруднение.в управлении трактором, ухудшает качество выполнения работы. Передние колеса трактора, повернутые на определенный угол по отношению к направлению движения, создают дополнительное сопротивление перемещению агрегата.
Установлено, что стабилизатор устойчивости при определенных положениях опорного ролика, способствует перераспределению усилий в нижних пальцах навески плуга. Это уменьшает асимметричность нагрузки на трактор и повышает устойчивость хода плуга и агрегата в целом, что положительно сказывается на агротехнических показателях плантажной вспашки, снижает тяговое сопротивление плуга.
Поскольку пахотный колесный агрегат представляет собой динамическую систему со многими степенями свободы, то под ее состоянием следует понимать совокупность параметров, определяющих ее положение в данный момент времени /80/.
Удобнее всего для описания работы этой динамической системы применить метод "вход-выход", поскольку ее можно задать величинами на входе и выходе.
В рассматриваемом случае работы агрегата входным параметром будет ХР -положение опорного ролика стабилизатора устойчивости, а выходным угол у поворота передней полурамы трактора (рис. 4.13).
С целью установления связи между этими двумя параметрами определим статистические характеристики входного и выходного процессов.
Математическое ожидание случайных величин на входе и выходе определится по формуле /80/
В качестве реализаций были взяты две осциллограммы с записью угла у поворота передней полурамы трактора. После обработки осциллограмм на П0ЦЦ-І2 полученные данные были переданы на ЭВМ-1022.
Вычисления, произведенные по вышеуказанной методике, позволили получить статистические характеристики процесса поворота передней полурамы трактора K-70I (табл. 4.1).
Причем для сравнения были обработаны две реализации, одна из которых представляла изменение угла Ц поворота передней полурамы при работе трактора с заводским плугом, вторая - при работе трактора с усовершенствованным плугом, т.е. с установленным стабилизатором устойчивости.
Анализ данных табл. 4.1 показывает, что пахотный агрегат;, с усовершенствованным плугом ведет себя более устойчиво, поскольку средние значения угла поворота qj , дисперсия, средне-квадратическое отклонение, коэффициент вариации - имеют меньшую величину в сравнении с статистическими характеристиками работы трактора с серийным плугом. Это свидетельствует о повышении устойчивости процесса, о меньшем, чем в случае работы трактора с серийным плугом, рассеивании случайной величины вокруг математического ожидания.
Определение силовых и геометрических факторов, влияющих на устойчивость движения плуга
Агротехническая оценка серийного и усовершенствованного плантажных и навесных плугов производилась одновременно с энергетической. Условия оценки показателей были одинаковы для обоих плугов.
Почва представляла собой чернозем выщелоченный, малогумус-ный, сверхмощный. Средняя влажность в горизонте 0...0,6 м составляла 16,95$ от абсолютно сухой почвы. Средняя твердость в этом же горизонте равнялась 2,48 МПа. Скорость движения пахотных агрегатов была подобрана во время поисковых опытов, на основании тяговых характеристик тракторов K-70I и T-I30 и „.тяговых усилий, полученных с помощью динамометрирования плуга.
Тяговые характеристики тракторов дают возможность подобрать рабочую скорость пахотных агрегатов.
При подборе основной рабочей передачи учитывалась допустимая загрузка тракторов по тяговому усилию. Тяговое сопротивление не должно превышать тяговых возможностей трактора, т.е./27/ Ъ z " fa - у&) (4.98) где R , - тяговое сопротивление агрегата; А" - коэффициент допустимой загрузки двигаетля (для K-70I А-= 0,88; T-I30 Д-= 0,9); С, - вес трактора, кН; - уклон, %. Режим работы трактора при Л/к/ = о,9М р соответствует 0,85...0,90 /V /27/.
На основании тяговой характеристики тракторов K-70I и T-I30 за рабочую передачу выбрали ту из возможных, по технологически допустимой скорости работы плуга ППН-50, равной 3,5 км/ч, для которой Re примерно равно Ркр при режиме 0,9/1/%, По таблицам параметров тяговых характеристик определили значения 7ГР . Промежуточные значения V между 2Грг ж соответствуют Pift и Pif , тогда рабочая скорость определится:
Таким образом, рабочая скорость для колесного пахотного агрегата равнялась Vp = 3,5 км/ч, что соответствует первому режиму второй передаче трактора K-70I. Резервной передачей цри перегрузке была z = 2,9 км/ч, соответствующая первому режиму первой передаче трактора.
Для гусеничного трактора # =3,84 км/ч, что соответствовало второй передаче. Резервной при перегрузке была первая передача V? =3,32 км/ч. Часть агротехнических показателей представлена в таблице 4.1 для гусеничного пахотного агрегата и в таблице 4.2 для колесного.
Из таблиц 4.1 и 4.2 видно, что стабилизирующее устройство способствует улучшению агротехнических показателей плуга.
Гребнистость пашни при работе плуга с обоими тракторами уменьшается, причем при работе плуга с трактором T-I30 при 2 и 3 положениях опорного ролика она не превышает 0,1 м, что соот В основу расчета показателей экономической эффективности применения усовершенствованного навесного плантажного плуга было положено повышение производительности пахотного агрегата, в сравнении с выпускаемыми заводом плугами.
Технико-экономическая оценка выполнена в соответствии с методикой и порядком определения показателей экономической эффективности сельскохозяйственной техники и соответствующими методическими указаниями /40, 91, 92, 122/. При этом использовались полученные расчетным путем и нормативные данные существующей справочной литературы.
Технико-экономическая оценка проведена для гусеничного пахотного плантажного агрегата: трактор T-I30, плуг ШШ-50.
I. Производительность пахотного агрегата за час чистого рабочего времени определится:
В представленной работе на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований выявлены возможности усовершенствования навесного плантажного плуга ШШ-50 с целью уменьшения асимметричности нагрузки на плуг и трактор.
Появилась возможность агрегатирования навесного плантажного плуга ППН-50 с колесным трактором K-70I. Разработано техническое решение, уменьшающее асимметричность нагрузки на плуг и трактор плантажного пахотного агрегата.
На основе результатов выполненных исследований сделаны следующие выводы.
1. Наиболее простым способом уменьшения асимметричности нагрузки, действующей на трактор, является установка на плуг стабилизатора устойчивости.
2. Установленный на плуг стабилизатор устойчивости позволяет изменять конструктивный параметр ХР приложения результирующей реакции почвы, действующей на полевую доску, за счет перемещения опорного ролика вдоль стенки борозды и в направлении, перпендикулярном ей.
3. Основными факторами, влияющими на устойчивость движения навесного пахотного агрегата в горизонтальной плоскости являются: горизонтальная составляющая сил, действующих на лемешно-отвальную поверхность плуга; усилия, действующие в тягах трактора; угол скх между направлением движения агрегата и направлением вектора горизонтальной составляющей тягового сопротивления.
4. Полученное уравнение колебательного движения центра масс плуга и его решение позволяют рассчитать значения угла р отклонения центра масс плуга от направления движения в зависимости от величины конструктивного параметра АР .
5. Статистический анализ процесса неуправляемого поворота передней полурамы колесного трактора K-70I свидетельствует о том, что применение стабилизатора устойчивости способствует уменьшению величины статистических характеристик процесса, что говорит о повышении устойчивости хода пахотного агрегата.
6. Применение многофакторного анализа дало возможность определить оптимальное число опытов в экспериментальных исследованиях и установить факторы, влияющие на агротехнические показатели работы плуга.
7. Установлено, что гусеничный плантажный пахотный агрегат имеет наилучшую устойчивость при Хр равном 4,6...4,8 м, а колесный - при Хр равном 6,2...6,4 м.
8. Применение усовершенствованного навесного плантажного плуга позволяет снизить его тяговое сопротивление на 16...18$ при работе с гусеничным трактором T-I30 и на 20...25$ при работе с колесным трактором K-70I.
Буксование движителей уменьшается у трактора K-70I в 2,2 раза, у трактора T-I30 - в 5,5 раза. 9. Внедрение навесного плантажного плуга с установленным стабилизатором устойчивости повышает производительность труда на 35,7$. Применение на плантажной вспашке колесного трактора K-70I увеличит его годовую загрузку и снизит потребность в гусеничных тракторах.
