Совершенствование рабочих органов машин для основной обработки почвы на основе моделирования процесса взаимодействия клина с почвой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

РАХИМОВ Ильдар Раисович

Cовершенствование рабочих органов машин

Для основной обработки почвы

На основе моделирования процесса

Взаимодействия клина с почвой

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск - 2006

Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие и посевные машины» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинский государственный агроинженерный университет».

Научный руководитель:доктор технических наук, доцент

Капов Султан Нануович

модель взаимодействие клин почва

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ

Косилов Николай Иванович

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Гордеев Олег Власович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Защита состоится «22» декабря 2006 года, в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при Челябинском государственном агроинженерном университете по адресу: 454080, г.Челябинск, пр.Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета.

Автореферат разослан «21» ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Старцев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Приоритетным направлением разработки и совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих машин является использование фундаментальных исследований и универсальных математических моделей основ теории технологических процессов взаимодействия клина с почвой.

Целесообразность определения силы сопротивления почвы через соответствующие напряжения, возникающие на поверхности клина, доказана многими учеными.

При этом появляется возможность учета ряда свойств почвы, в том числе ее плотности.

Однако анализ известных работ показал, что недостаточно изученными остаются вопросы определения составляющих результирующей силы, действующих на клин, проблема обоснования параметров и совершенствования конструкций рабочих органов для основной обработки почвы: корпуса плуга, стойки СибИМЭ, лапы плоскореза-глубокорыхлителя, щелереза, чизельного рабочего органа - далека от решения.

Не изучено влияние конструктивной схемы орудия и месторасположения рабочего органа на раме орудия на характер сил, действующих на рабочие органы.

В связи с этим тема диссертационной работы, направленная на решение этих задач, является актуальной и имеет народнохозяйственное значение.

Цель работы. Совершенствование различных типов рабочих органов для основной обработки почвы путем обоснования параметров на основе моделирования процесса взаимодействия клина с почвой для обеспечения выполнения агротребований при изменении физико-механических свойств почвы.

Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия различных типов рабочих органов машин для основной обработки с почвой.

Предмет исследования. Закономерности изменения сил, действующих на различные типы рабочих органов при изменении конструктивных и технологических параметров рабочих органов и свойств почвы.

Научная новизна. Составлена математическая модель процесса взаимодействия клина с почвой и впервые получены аналитические зависимости для определения составляющих сил, действующих на двух- и трехгранные клинья с учетом напряженно-деформированного состояния почвенного пласта. Показано, что в классе напряженно-деформированного состояния разрушение почвы описывается теорией Кулона-Мора, а нормальная составляющая сил сопротивления клиньев может быть выражена через нормальные напряжения, возникающие на поверхности клиньев. Получены аналитические выражения для определения сил, действующих на различные типы рабочих органов для основной обработки почвы, в зависимости от их конструктивных параметров и свойств почвы. Установлены уравнения регрессии, описывающие характер изменения сил, действующих на различные типы рабочих органов в зависимости от их параметров и свойств почвы. Установлено влияние характеристик рельефа поля, конструктивной схемы орудия и месторасположения рабочих органов на раме орудия на изменение глубины обработки и характер сил, действующих на рабочие органы.

Практическая ценность. Определен диапазон изменения конструктивных параметров рабочих органов, обеспечивающих выполнение агротребований для различных условий работы. Разработаны рекомендации по совершенствованию параметров рабочих органов на основе регулирования углов двух- и трехгранного клиньев и установки дополнительных приспособлений на крыле отвала и на лемехе рабочего органа для регулирования направлений траекторий перемещения почвы с целью получения крошения почвы в пределах агродопуска при минимальных значениях тягового сопротивления.

Полученные и обоснованные параметры рабочих органов способствуют улучшению качества работы почвообрабатывающих машин при минимальном их тяговом сопротивлении и повышению урожайности возделываемых культур.

Работа выполнена согласно межведомственной координационной программе о фундаментальных и приоритетных прикладных исследованиях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001 - 2005 гг. «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» 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.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследования использованы на Стерлитамакском заводе строительных машин при создании комплекса машин противоэрозионной обработки почвы, в ЗАО ИПП «ТехАртКом» г.Челябинска для совершенствования параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин, а также на заводе «Варнаагромаш» с.Варна Челябинской области при проектировании рабочих органов машин основной обработки почвы.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- модели взаимодействия двух- и трехгранного клина с почвой для определения тягового сопротивления при различных свойствах почвы;

- расчетные схемы и аналитические зависимости взаимодействия рабочих органов с почвой при различных конструктивных схемах орудия и месте их установки на раме орудия при движении по случайному рельефу поля;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению сил, действующих на различные типы рабочих органов;

- рациональные параметры рабочих органов и приспособлений для регулирования крошения почвы в пределах агродопуска.

Апробация. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЧГАУ в 2000 - 2006 гг. и БГАУ в 2005 - 2006 гг.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в восьми научных статьях, по результатам исследования получено пять патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит введение, шесть глав, выводы и рекомендации. Список использованной литературы состоит из 136 наименований; работа содержит 95 рисунков, 21 таблицу и 9 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены научная и практическая значимость, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

Глава 1 «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена анализу существующих способов основной обработки почвы и рабочих органов для ее осуществления. Рассмотрены влияние параметров рабочих органов на качество основной обработки почвы, альтернативные методы и способы, повышающие качество работы существующих рабочих органов для основной обработки почвы.

Изучению процесса взаимодействия рабочих органов с почвой посвящены исследования многих ученых: В.П. Горячкина, Г.Н. Синеокова, Л.В. Гячева, А.С. Кушнарева, А.П. Грибановского, В.И. Виноградова, В.А. Желиговского, М.Е. Мацепуро, М.Д. Подскребко, В.В. Бледных, В.А. Лаврухина, А.Н. Гудкова, В.И. Баловнева, С.Н Капова, Ю.А. Ветрова и других.

Анализ этих исследований показал, что большинство авторов для математического описания реальной почвенной среды используют различные модели и расчетные схемы взаимодействия рабочего органа с почвой. В качестве модели почвы рассматриваются деформируемое твердое тело, упругая и сыпучая среды, а также сплошная деформируемая среда.

В работах В.В. Бледных, В.И. Баловнева и С.Н. Капова показана целесообразность рассмотрения модели взаимодействия клина с почвой и определения сил сопротивления почвы через нормальные напряжения, возникающие на поверхности клина, в зависимости от различных физико-механических свойств почвы.

Исследованиями А.Б.Лурье, А.И.Любимова, В.В.Бледных и др. установлено, что тяговое сопротивление орудия, глубина обработки и другие агротехнические показатели работы агрегата зависят от конструктивной схемы орудия и месторасположения опорных колес при движении агрегата по рельефу поля. Работ по изучению влияния этих факторов на силы, действующие на отдельные рабочие органы, нет.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования:

1. Разработать модель взаимодействия двух- и трехгранного клина с почвой с учетом ее напряженно-деформированного состояния и изучить влияние параметров клина на тяговое сопротивление.

2. Получить аналитические зависимости для определения тягового сопротивления различных типов рабочих органов для основной обработки почвы и обосновать рациональные параметры данных рабочих органов.

3. Изучить влияние конструктивной схемы и месторасположения рабочих органов на раме орудия на показатели их работы.

4. Разработать рекомендации производству и дать технико-экономическую оценку их внедрения.

Во второй главе «Модель взаимодействия клина с почвой» рассмотрено функционирование рабочего органа как реакция на входные воздействия, получена модель по принципу «вход - выход» в операторной форме и раскрыты входные, выходные и внутренние параметры, оказывающие влияние на тяговое сопротивление и агротехнические показатели работы различных типов рабочих органов.

Любой рабочий орган почвообрабатывающей машины можно представить как двугранный клин (чизельный рабочий орган, щелерез и т.д.), трехгранный клин (отвальный корпус плуга, дисковый рабочий орган и т.д.) либо как их совокупность (лапа плоскореза-глубокорыхлителя). Конструктивные параметры этих клиньев формируют рабочую поверхность и оказывают непосредственное влияние на качество обработки почвы и энергоемкость протекающего процесса.

Для двугранного клина таким параметром является угол его постановки ко дну борозды б (рис.1а), для трехгранного клина - угол постановки клина ко дну борозды и угол постановки к стенке борозды (рис.1б).

Рисунок 1 - Силы, действующие на клинья:

а - двугранный, б - трехгранный

При взаимодействии клина с почвой сила его сопротивления определяется как

, (1)

где R^d - сила, направленная на подрезание и деформацию почвенного пласта, Н; R^v - сила, необходимая для сообщения кинетической энергии при транспортировании отделившихся частиц почвенного пласта, Н.

Для определения силы R^d необходимо знать напряжение у_n, возникающее при контакте почвы с рабочей поверхностью клина. Исследованиями установлено, что в классе напряженно-деформируемого состояния разрушение почвы может быть описано теорией прочности Кулона-Мора. Применительно к почвенной среде нормальные напряжения, возникающие на поверхности клина, определяются по формуле

, (2)

где ф - угол трения почвы о почву, град.; а - толщина пласта, м; щ_Н - угол наклона площадки разрушения к направлению напряжения, град., ; с - плотность почвы, кг/м³; С - сцепление почвы, Н/м²; g - ускорение свободного падения, м/с²; ц - угол трения почвы о поверхность клина, град.

Формула (2) позволяет определить нормальное напряжение в зависимости от свойств почвы (ф, с, С, ц), конструктивных параметров клина (б, , ) и технологических параметров обработки (а, v) (рис.2). Изменение любого из факторов, входящих в формулу, ведет к изменению сил, действующих на рабочие органы, что позволяет выбрать рациональные параметры различных типов рабочих органов.

у_n, Н/м²

б, град

Рисунок 2 - Зависимость нормального напряжения у_n от угла постановки клина ко дну борозды б при различной глубине обработки: 1 - 0,3 м; 2 - 0,25 м; 3 - 0,2 м

Выразив нормальную силу N через нормальное напряжение у_n с учетом коэффициента k_v, зависящего от скоростей процессов, действующих на почву и протекающих в ней, получим силу R^d:

, (3)

где b - ширина захвата клина, м; ; v - скорость движения клина, м/с; v_кр - критическая скорость, , м/с; ш - угол сдвига, зависящий от свойств почвы, град.; v_р - скорость разрушения почвенного пласта, м/с.

Для определения силы R^v рассматривается взаимодействие почвенного элемента с передней гранью клина и учитывается распространение упругих и пластических волн деформации. Считая, что основным уравнением динамического воздействия клина на почву является уравнение импульса силы, получена составляющая R^v:

. (4)

Общее сопротивление клина определится по формуле

. (5)

Первая составляющая общего сопротивления клина характеризует процесс деформации почвы с последующим ее разрушением, вторая показывает процесс транспортирования разрушенной почвы по поверхности клина. Это совпадает с данными В.В.Бледных, С.Н.Капова и др. ученых. Установлено, что сопротивление клина имеет квадратичную зависимость от глубины обработки и скорости движения. На основе формулы (5) получены аналитические зависимости для определения составляющих общего сопротивления клиньев и выполнены графики изменения этих сил в зависимости от плотности почвы и конструктивных параметров клиньев, уравнения регрессии составляющих общего сопротивления в зависимости от глубины обработки, скорости движения, изменения конструктивных параметров клиньев. В качестве примера на рисунке 3 представлены зависимости сил R_x, R_z от б, с для двугранного клина, которые показывают возможность выбора рациональных их параметров.

R_x, Н R_z, Н

с, кг/м³ б, град с, кг/м³ б, град

Рисунок 3 - Зависимость горизонтальной R_x (а) вертикальной R_z (б)составляющих общего сопротивления двугранного клина от угла постановки клина к дну борозды б и плотности почвы с

В главе 3 «Методика исследований» излагаются программа выполнения экспериментальных исследований и методики:

- получения и подготовки исходных данных: свойств почвы, характеристик рельефа поверхности поля и сопротивления почвы;

- экспериментальных исследований тягового сопротивления рабочих органов.

Лабораторные и полевые исследования были проведены согласно известным методикам с применением современной регистрирующей аппаратуры.

На основе СТО АИСТ 10.4.6 - 2003 и СТО АИСТ 4.1 - 2004 разработана методика получения и подготовки входных данных: фракционный состав, влажность, твердость, плотность почвы.

Были разработаны методики проведения лабораторных и экспериментальных исследований. В качестве измерительного комплекса использован регистрирующий комплекс MIC-400D производства НПП «Мера» (г.Королев Московской обл.). Погрешность измерений не превышает 1%.

Для проведения лабораторных исследований спроектирована и изготовлена лабораторная установка, позволяющая замерить все составляющие общего сопротивления рабочих органов за счет применения ортогональных тензозвеньев. Проведены сравнительные испытания таких рабочих органов, как корпус плуга, стойка СибИМЭ, чизельный рабочий орган с наклонной стойкой.

Полевые опыты проводились с использованием корпуса плуга и лапы плоскореза как с применением дополнительных крошителей, установленных под разными углами к направлению движения, так и без них. Установка для проведения полевых опытов представляет собой прицепную раму с установленным брусом для крепления рабочих органов. Агрегатирование производилось с трактором МТЗ-82 через тензозвено производства ООО «Тензо-М» (п.Красино, Московской обл.).

Перед проведением испытаний все тензозвенья тарировались согласно известным методикам.

В главе 4 «Анализ и оценка тягового сопротивления рабочих органов для основной обработки почвы» приводятся результаты сравнительного анализа модели двугранного и трехгранного клиньев с экспериментальными данными, полученными разными учеными и в ходе лабораторных исследований. Построены графики и найдены уравнения регрессии зависимости тягового сопротивления (у) двух- и трехгранного клина от угла постановки ко дну борозды б, е (х) при разных скоростях движения (таблицы 1,2).

Таблица 1 - Уравнения регрессии силы R_x двугранного клина

Данные	Скорость, м/с	Уравнение регрессии
Теоретические	1	y = 55,651x2 - 162,56x + 365,18
	3	y = 89,527x2 - 254,77x + 560,93
Виноградов В.И.	1	y = 11,89x2 - 160,58x + 1537,7
	3	y = 26,0876x2 - 297,278x+ 1802
Синеоков Г.Н.	1	y = 22,562x2 - 81,413x+554,5
	3	y = 54,417x2 - 253,275x+625,68
Капов С.Н	1	y = 13,129x2 +88,517x+914,05
	3	y = 65,272x2+127,72x+1094,2

Таблица 2 - Уравнения регрессии силы R_x трехгранного клина

Данные	Скорость, м/с	Уравнение регрессии
Теоретические	2	y = 20,404x2 + 196,55x + 3151
	3	у = 32,75х2 + 239,25х + 3231,2
Виноградов В.И.	2	y = 26,185x2 - 165,53x + 3549,6
	3	у = 40х2 - 8х + 3418
Синеоков Г.Н.	2	y = 21,849x2 + 214,91x + 3276,5
	3	y = 55,613x2 + 263,93x + 3076,2

На основе формулы (5) были составлены зависимости для определения тягового сопротивления корпуса плуга (трехгранный клин), стойки СибИМЭ (совокупность двугранного и трехгранного клиньев), лапы плоскореза-глубокорыхлителя (комбинация двугранного и трехгранного клиньев) и щелереза (двугранный клин), а также лапы плоскореза-глубокорыхлителя с установленными на лемехах крошителями (комбинация двугранного и трехгранного клиньев). Основными критериями при обосновании параметров рабочих органов являются минимум тягового сопротивления и обеспечение требуемой степени крошения почвы.

В работе получены теоретические зависимости изменения тягового сопротивления различных типов рабочих органов почвообрабатывающих машин от их конструктивных, технологических параметров и плотности почвы. Определенные уравнения регрессии теоретических данных адекватны данным, полученным разными учеными и данным, полученным в наших лабораторных и полевых опытах.

Установлен диапазон изменения параметров различных типов рабочих органов в зависимости от плотности почвы при минимальных значениях тягового сопротивления. Для достижения требуемой степени крошения целесообразно использовать дополнительные крошители, позволяющие локализовать напряжения на поверхности рабочего органа по ширине и глубине обработки почвы. Рассмотрены возможности установки дополнительных крошителей на корпус плуга (локализация напряжения по глубине обработки) и на плоскорежущие лапы (локализация напряжения по ширине обработки).

В качестве примера представлен вариант использования лапы плоскореза с установленными на лемехах дополнительными крошителями, для которой выведены общая и расчетная формулы для определения его тягового сопротивления (рисунок 4)

, (6)

где - тяговое сопротивление лемехов (сумма тяговых сопротивлений правого и левого лемехов), Н; - тяговое сопротивление долота, Н; - тяговое сопротивление стойки, Н; - сила трения боковых поверхностей стойки о почву (сумма сил трения каждой поверхности), Н; - тяговое сопротивление одного крошителя, Н.

Рисунок 4 - Параметры лапы плоскореза-глубокорыхлителя с дополнительными крошителями

Окончательно расчетная формула силы R_x имеет вид

(7)

где h_лем1 - ширина лемеха, м; в - угол наклона лемеха лапы ко дну борозды, град.; l_лем1 - длина лемеха, м; г - угол раствора лемеха лапы, град.; b_дол1 - ширина захвата долота, м; , град.; б_дол1 - угол постановки долота ко дну борозды, град; а_ст1, b_ст1 - высота и толщина стойки, м; d_ст1 - ширина средней части стойки, м; l_крош - длина крошителя, м; и_крош - угол постановки крошителя к направлению движения, град.

На рисунке 5 представлены зависимости тягового сопротивления экспериментального рабочего органа от конструктивных параметров лапы б_дол и в и крошителя б_крош и и_крош, анализ которых позволяет рекомендовать рациональные значения параметров: б_дол = 22…25⁰; в= 23…30⁰; б_крош = 30…35⁰; и_крош = 5…10⁰.

Полученная и экспериментальная зависимости силы R_x от глубины обработки а даны на рисунке 6. Экспериментальные данные получены в полевых опытах, проведенных на опытном поле ООО «Варнаагромаш» (ширина захвата рабочего органа 0,98 м, плотность необработанной почвы 1850 кг/м³, влажность почвы 18,9 %, скорость движения 2,17 м/с). Уравнения регрессии, описывающие характер изменения силы R_x от глубины обработки и угла постановки крошителя и_крош, представляет собой параболические уравнения второго порядка. Средняя относительная погрешность между экспериментальными и теоретическими данными составляет для угла 10⁰ - 1,72%, для 20⁰ - 5,4 %.

Сходимость теоретических и экспериментальных данных позволяет говорить об адекватности модели реальному процессу и возможности использования полученных зависимостей для определения сил, действующих на рабочие органы с применением дополнительных крошителей.



R_x, Н R_z, Н

с, кг/м³ в, град с, кг/м³ б_дол, град

Зависимости тягового сопротивления R_x, коэффициента вариации глубины обработки V_глуб, степени крошения K и глыбистости G почвы от угла постановки крошителя в направлении движения на лапе плоскореза, а также в варианте без крошителя, приведены на рисунке 7. Установка крошителей на лапу плоскореза вызывает увеличение степени крошения почвы К, уменьшение глыбистости почвы G, повышение устойчивости хода рабочего органа по глубине при некотором увеличении тягового сопротивления рабочих органов.

R_x, Н

1

Рисунок 6 - Зависимость силы R_x от глубины обработки а (угол постановки крошителя к направлению движения и_крош = 10⁰): 1 - теоретические данные, 2 - экспериментальные данные

Рисунок 7 - Зависимость тягового сопротивления лапы плоскореза с дополнительными крошителями R_x, коэффициента вариации по глубине хода V_глуб, степени крошения К и глыбистости почвы G от угла постановки крошителей к направлению движения рабочего органа

Результаты опытов, показывающие, что при и_крош=5…10⁰ обеспечивается выполнение агротребований по крошению и глыбистости почвы, подтверждают результаты теоретических исследований.

Динамика относительного изменения тягового сопротивления различных типов рабочих органов от изменения угла резания (крошения), скорости движения и глубины обработки, показана на рисунке 8.

Относительное изменение тягового сопротивления определяется по формуле

, (8)

где Rx_i - текущее значение тягового сопротивления, Н; Rx_ср - среднее значение тягового сопротивления, Н.

Из рисунка 8а видно, что для различных типов рабочих органов при угле резания (крошения) больше 35±3⁰ происходит резкое возрастание тягового сопротивления; этот угол можно принять в качестве максимального критического значения угла крошения.

Скорость движения агрегата оказывает большое влияние на величину тягового сопротивления отвального рабочего органа, где в диапазоне рабочих скоростей 1…17 км/ч оно возрастает в девять раз, тогда как для безотвальных рабочих органов тяговое сопротивление рабочих органов возрастает в три раза (рисунок 8б). Поэтому орудия для основной обработки почвы на повышенных скоростях (свыше 11 км/ч) целесообразнее проектировать в безотвальном варианте.

Характер изменения тягового сопротивления во всем диапазоне увеличения глубины обработки для всех типов рабочих органов одинаков (рисунок 8в). Поэтому при выборе глубины обработки следует исходить из задач агрономического характера (тип возделываемой культуры, место в севообороте, наличие склонов и т.д.). Для управления степенью крошения почвы получены уравнения регрессии тягового сопротивления различных типов рабочих органов в зависимости от углов постановки режущих деталей рабочих органов ко дну и стенке борозды, а также от скорости движения и глубины обработки.

Рисунок 8 - Зависимость изменения относительного тягового сопротивления R_x различных рабочих органов от угла постановки лемеха (долота) ко дну борозды б, (а), скорости движения v (б) и глубины обработки а (в)

В пятой главе «Изучение влияния конструктивной схемы и месторасположения рабочих органов на раме орудия на тяговое сопротивление рабочих органов» рассмотрено влияние месторасположения рабочего органа и опорного колеса на раме орудия на тяговое сопротивление рабочего органа. Рассмотрены варианты навесного плуга с одним колесом и навесного и полунавесного плуга с двумя опорными колесами. Для этих случаев составлены уравнения колебания рабочего органа на раме орудия при движении по случайному профилю рельефа поля.

Глубину хода рабочего органа, установленного на навесном плуге с одним опорным колесом согласно расчетной схеме (рисунок 9), запишем в виде

a_i(t) = а + (Z_дбi(t) - Z_ППi(t)), (9)

где Z_дбi(t) - текущее значение рельефа дна борозды под i-м корпусом, м; Z_ППi(t) - текущее значение рельефа поверхности поля над i-м корпусом, м; а - устанавливаемая глубина обработки, м.

Рисунок 9 - Расчетная схема навесного плуга с одним опорным колесом

С учетом колебаний плуга при движении по рельефу поверхности поля Z_ПП(t) и колебаний плуга в продольно-вертикальной и поперечно-вертикальной плоскостях определяем значение рельефа дна борозды Z_дб(t):

. (10)

где m_i - расстояние от присоединительного пальца до точки крепления i-то корпуса, м; n - расстояние от присоединительного пальца до точки крепления опорного колеса, м; h₁ - высота крепления нижних продольных тяг к трактору (точка 1), м; h₂ - положение оси подвеса на плуге, м, ; Н - высота стойки рабочего органа, м; h₃ - высота стойки плуга, м; h₄ - расстояние от оси крепления нижних продольных тяг до оси крепления верхней тяги на раме трактора, м. При известной глубине обработки можно определить силу сопротивления различных типов рабочих органов. В таблице 3 представлены результаты расчетов на ЭВМ влияния места установки корпуса плуга на навесном плуге с одним опорным колесом на характеристики тягового сопротивления и глубины обработки каждого корпуса. Для проведения расчетов был сгенерирован профиль рельефа поверхности поля, характерный для зоны Южного Урала согласно разработанной методике.

Таблица 3 - Результаты расчетов.

Показатель	Значение показателя при номере корпуса
	1	2	3
асрi, см	25,0	25,0	25,1
уаi, см	1,55	2,01	2,44
Rкорi, Н	4334	4340	4345
уRi, Н	268,7	348,9	422,3
Vi, %	6,2	8,04	9,72

Таким образом, с удалением корпусов от опорного колеса среднеквадратические отклонения глубины обработки и тягового сопротивления возрастают. В связи с этим влияние конструктивных параметров корпуса плуга на агротехнические показатели его работы увеличивается, что должно быть учтено при выборе пределов регулирования параметров рабочих органов.

Аналогично определялось влияние месторасположения корпуса плуга на раме навесного и полунавесного плуга с двумя опорными колесами на тяговое сопротивление рабочих органов.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований показал, что для полунавесных плугов не существует четкой зависимости характеристик тягового сопротивления и глубины обработки от места расположения опорных колес и рабочих органов на раме орудия. Здесь важен рельеф поверхности поля, по которому перекатываются опорные колеса. В связи с тем, что величина рельефа поля является случайной функцией, характеристики тягового сопротивления и глубины обработки будут носить случайный характер в пределах характеристик свойств почвы и рельефа поверхности поля.

В главе 6 «Рекомендации производству и технико-экономические показатели внедрения» предлагаются пути совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе обеспечения возможности регулирования их основных конструктивных параметров или установки приспособлений для дополнительного крошения почвы при работе на твердых почвах.

Результаты выполненных исследований позволили установить:

- пределы регулирования углов постановки лемеха и долота ко дну и к стенке борозды, обеспечивающих выполнение агротребований для различных видов обработки почвы при минимально возможном тяговом сопротивлении рабочего органа;

- параметры приспособлений для дополнительного крошения почвы и места их установки на поверхности отвала корпуса плуга и на поверхности стрельчатых рабочих органов.

Рекомендуемые конструктивные параметры различных типов рабочих органов для основной и предпосевной обработки почвы, а также места установки приспособлений и их параметры переданы на заводы, производящие почвообрабатывающие машины и их рабочие органы (ЗАО ИПП «ТехАртКом» г.Челябинск, ООО «Варнаагромаш» с.Варна Челябинской обл., ОАО «Стерлитамакский завод строительных машин» г.Стерлитамак Республика Башкортостан).

Рассчитана технико-экономическая эффективность применения корпуса плуга и лапы плоскореза с дополнительными крошителями. Использование дополнительных крошителей увеличивает степень крошения почвы, что способствует повышению урожайности. В качестве примера рассматривалось влияние степени крошения почвы на урожайность картофеля.

Экономические показатели определялись по известным методикам расчета и справочным данным.

Рассчитана экономическая эффективность применения корпуса плуга без крошителя, с крошителем, установленным под углом 0, 15, 30 и 45⁰ к направлению движения. Экономический эффект по сравнению с серийным рабочим органом в сумме 317,5 руб./га получен для варианта установки крошителя под углом 15⁰. В остальных вариантах экономический эффект не получен вследствие малой производительности агрегата или недостаточного крошения почвы.

Рассчитана также экономическая эффективность применения лапы плоскореза-глубокорыхлителя без крошителей и в вариантах с крошителями, установленными под углом 10 и 20⁰ к направлению движения агрегата. Экономический эффект 369,6 руб./га обеспечивается в варианте установки крошителя под углом 10⁰.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что основным направлением совершенствования рабочих органов для основной обработки почвы является создание рабочих органов с регулируемыми конструктивными параметрами, адаптированными к конкретным почвенно-климатическим условиям и рабочих органов с дополнительными приспособлениями для крошения почвы.

2. Показана целесообразность определения составляющих сил, действующих на различные типы рабочих органов, на основе учета скорости деформирования почвенного пласта и напряжений, возникающих при контакте почвы с рабочей поверхностью клина.

3. Разработана математическая модель и получены аналитические зависимости для определения составляющих сил, действующих на двух- и трехгранный клин, с учетом нормального напряжения, возникающего на площадке контакта клина с почвой, которые связывают:

- конструктивные параметры клиньев: для двугранного - угол постановки клина к дну борозды б и ширину клина b; для трехгранного - угол постановки клина ко дну е и к стенке борозды и, ширина клина b;

- технологические параметры - глубина хода клина а, скорость движения клина v;

- свойства почвы: коэффициент внутреннего трения ф, коэффициент внешнего трения , сцепление почвы С, плотность почвы , скорость разрушения v_р, угол сдвига .

4. Установлено, что составляющие тягового сопротивления имеют квадратичную зависимость от глубины обработки и скорости движения агрегата.

5. Получены аналитические зависимости для определения тягового сопротивления корпуса плуга, стойки СибИМЭ, лапы плоскореза - глубокорыхлителя и щелереза. Они позволяют установить влияние углов б, е и и, скорости движения, глубины обработки и свойств почвы на тяговое сопротивление рассмотренных рабочих органов при обеспечении плотности почвы в пределах агродопуска. Из полученных зависимостей следует, что для обеспечения степени крошения почвы в пределах агродопуска значения углов, характеризующих тип рабочего органа должны находиться в пределах:

- для корпуса плуга е = 20…30⁰, и = 35…45⁰;

- для стойки СибИМЭ е = 20…27⁰, и = 35…45⁰;

- для лапы плоскореза-глубокорыхлителя б= 20…27⁰, в= 23…30⁰;

- для щелереза б = 23…27⁰.

Для обеспечения минимума тягового сопротивления при различных условиях работы значения углов, характеризующих тип рабочего органа, должны быть регулируемыми.

Установлены параметры дополнительных крошителей для лапы плоскореза: б_крош = 30…35⁰, и_крош = 5…10⁰.

6. Получены уравнения регрессии, характеризующие зависимость тягового сопротивления от параметров рабочих органов и свойств почвы. Для различных типов рабочих органов установлены:

- критический угол резания (крошения) е_кр = 35±3⁰;

- максимальная скорость движения агрегата с отвальными рабочими органами v_max = 11 км/ч.

7. На основе изучения кинематики движения различных агрегатов по неровностям рельефа поверхности поля установлено:

- колебания навесного и полунавесного орудий в горизонтальной плоскости незначительны и на характеристики глубины обработки и тягового сопротивления не оказывают влияния;

- для навесных орудий по мере удаления рабочих органов от опорного колеса среднеквадратические отклонения глубины обработки и тягового сопротивления возрастают, что необходимо учитывать при выборе параметров рабочего органа;

- для полунавесных орудий с двумя опорными колесами зависимости влияния месторасположения рабочих органов и опорных колес на характеристики тягового сопротивления и глубины обработки отдельных рабочих органов не прослеживаются. Они зависят от характеристик рельефа поверхности поля и свойств почвы;

- значения конструктивных параметров рабочих органов для обеспечения агротехнических показателей работы орудия в зависимости от исходного состояния рельефа поверхности поля и свойств почвы должны быть регулируемыми.

8. Рекомендуемые конструктивные параметры рабочих органов переданы в ЗАО ИПП «ТехАртКом» (г.Челябинск), ООО «Варнаагромаш» (с.Варна, Челябинская обл.), ОАО «Стерлитамакский завод строительных машин» (г.Стерлитамак, Республика Башкортостан).

9. Расчеты показывают, что использование рабочих органов с регулируемыми приспособлениями для дополнительного крошения почвы обеспечивает экономическую эффективность при определенных сочетаниях крошения почвы и тягового сопротивления. Для корпуса плуга экономический эффект в сумме 317,5 руб./га обеспечивается при установке крошителя по углом 15⁰ к направлению движения, а для плоскорежущей лапы экономический эффект в сумме 369,6 руб./га обеспечивается при установке крошителей под углом 10⁰.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рахимов И.Р. Исследование и разработка адаптивных рабочих органов основной обработки почвы // Сб.рефератов научно-исследовательских работ аспирантов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - с.61-62.

2. Рахимов И.Р. Силы, действующие на рабочие органы почвообрабатывающих машин при изменяемых условиях работы // Вестник ЧГАУ, том 41, 2004. - с.139-143.

3. Капов С.Н., Рахимов И.Р., Файрушин Д.З., Устинова Е.А. Методические основы формирования парка почвообрабатывающих машин // Вестник ЧГАУ, том 41, 2004. - с.82-83.

4. Рахимов З.С., Рахимов И.Р., Файрушин Д.З. Универсальные орудия для безотвальной обработки почвы // Тракторы и сельскохозяйственные машины, №5, 2004. - с.10-11.

5. Соловьев Н.М., Баган М.С., Рахимов И.Р. Прочностные расчеты лемеха из высокопрочного чугуна // Вестник ЧГАУ, том 46, 2005. - с.188-191.

6. Бледных В.В., Мазитов Н.К., Рахимов Р.С., Ковалев Н.Г., Стоян С.В., Хлызов Н.Т., Рахимов И.Р., Коновалов В.Н., Корочкин М.В. Влаго-, энерго-, ресурсосберегающий посевной комплекс «Уралец» // Достижения науки и техники АПК, №2, 2006. - с.2-4.

7. Мударисов С.Г., Рахимов И.Р., Разбежкин Н.И. Моделирование процесса износа корпуса плуга // Достижения науки и техники АПК, №5, 2006. - с.42-43.

8. Бледных В.В., Мазитов Н.К., Рахимов Р.С., Коновалов В.Н., Хлызов Н.Т., Стоян С.В., Рахимов И.Р. Универсальные энерго-, ресурсосберегающие почвообрабатывающие и посевные машины комплекса «Уралец» // Достижения науки и техники АПК, №9, 2006. - с.2-7.

9. Патент на изобретение № 2236102. Борона. Мазитов Н.К., Сахапов Р.Л., Рахимов И.Р. и др. Заявка № 2003107463. Приоритет от 18.03.2003 г.

10. Патент на полезную модель № 48691. Лаповый сошник. Стоян С.В., Мударисов С.Г., Рахимов И.Р. и др. Заявка № 2005118506. Приоритет от 14.06.2005 г.

11. Патент на полезную модель № 51331. Широкозахватный блочно-модульный сельскохозяйственный агрегат. Стоян С.В., Алабугин С.П., Рахимов И.Р. и др. Заявка № 2005103958. Приоритет от 14.02.2005 г.

12. Патент на полезную модель № 53100. Рабочий орган плоскореза - рыхлителя. Стоян С.В., Мударисов С.Г., Рахимов И.Р. и др. Заявка № 2005118505. Приоритет от 14.06.2005 г.

13. Патент на полезную модель № 56106. Корпус плуга. Мударисов С.Г., Стоян С.В., Рахимов И.Р. и др. Заявка № 2006104151. Приоритет от 10.02.2006 г.

Подписано в печать 17.11.2006 г.

Формат 6084/16.

Объем 1,0 уч.-изд.л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 365

УОП ЧГАУ

Размещено на Allbest.ru

Размещено на Allbest.ru