При взаимодействии пневматического колеса с почвой происходит защемление ее комочков беговой дорожкой колеса, вдавливание в общую массу почвы, смятие, расширение в боковом направлении, и, наконец, сгруживание почвы перед движителем. Это вызывает увеличение действительной глубины Н следа, рисунок 1. Действительной глубиной Н следа будем считать сумму видимой после прохода колеса глубины следа h_о и высоты h почвенного вала перед колесом:

Н=h_о+h, (1)

где h_о - остаточная глубина следа после прохода колеса, м; h - высота почвенного вала перед колесом, м.

Величину полной деформации почвы во время прохода пневматического колеса определим по зависимости:

h_пол=h_y+h_о+h+h_з, (2)

где h_у - величина восстановления почвы после прохода колеса, м; h_з - величина проникновения почвозацепов в почву, м.

При качении пневматического колеса, рисунок 1, его действие на почву выразится рядом элементарных сил, направленных нормально к поверхности зоны контакта колеса. Их можно заменить двумя равнодействующими Р_1п и Р_2п в зонах загрузки и разгрузки, а также силы F₁ и F₂ трения, направленными под углом к поверхности колеса. Раскладывая равнодействующую Р_1п по направлениям сжатия почвы и выталкивания ее колесами, получим силы Р_1у, сжимающую ее и Р_1х, выталкивающую ее из под колеса.

Если угол погружения для данного диаметра колеса и глубины следа не обеспечит защемления комочков, то они будут накапливаться впереди колеса. Условие защемления частиц почвы определим как:

tg=f_гtg₁, или ₁, (3)

где - угол трения колеса о частицу почвы, град; f_г - коэффициент трения; ₁ - теоретический угол контакта пневматического колеса с почвой (соответствует углу погружения), град.

Рисунок 1. Схема сил, действующих в процессе перекатывания колеса по почве:

Н - действительная глубина следа; h - высота почвенного вала перед колесом; h_о - глубина следа после прохода колеса; h_у - величина восстановления почвы после прохода колеса; h_з - величина проникновения почвозацепов; - деформация шины; G_к - нагрузка на ось колеса; r_о - радиус колеса; R₁ и R₂- радиус колеса в зоне загрузки и разгрузки; v_кд - действительная скорость колеса; а - расстояние от точки начала зоны загрузки до оси колеса; а₃ - расстояние от оси колеса до рассматриваемой точки S; а₂ - расстояние от оси колеса до выхода колеса из зоны разгрузки; Р_1п и Р_2п - результирующие силы в зонах загрузки и разгрузки; F₁ и F₂ - силы трения в зонах загрузки и разгрузки; ?_п - длина почвозацепа.

При качении колеса без буксования и скольжения линия действия сопротивления сжатию независимо от размеров частиц почвы и места касания с колесом проходит через точку соприкосновения частицы почвы с колесом, верхнюю точку колеса и нижнюю точку соприкосновения почвы с горизонталью. Направление движения соприкасающихся с ободом частиц почвы определяются уравнениями:

- для нижней зоны (90-; (4)

- для средней зоны ₁=arctg(sin/+cos); (5)

- для верхней зоны ₂(90-+, (6)

где =1/(1-), - коэффициент скольжения.

Уравнения (5, 6, 7) определяют не только направление смятия во всех точках погруженной части колеса в почву, но и величину ее горизонтальных и вертикальных перемещений. Для уменьшения горизонтальных перемещений (вызывающих сгруживание почвы перед колесом) необходимо, чтобы угол смятия был по возможности большим, имея в виду:

P_1x=P_1ncos₁, a P_1n=G_к. (7)

тогда P_1x= cos₁G_к. (8)

Зависимость между вертикальной нагрузкой на ось колеса G_к и нормальными контактными напряжениями имеет вид:

, (9)

где В_п - ширина профиля шины, м.

Для интегрирования этого уравнения необходимо учитывать условие:

z_п+z_ш=cq-uq, (10)

где z_ш и z_п - вертикальные расстояния от точек недеформируемой опорной поверхности следа до точек контакта поверхности колеса, м.

Принимая во внимание линейные законы деформации шины и почвы в зоне разгрузки и загрузки, находим величину нормальных контактных напряжений соответственно для каждой зоны:

и , (11)

где к₁ и с₁ - константы шины и почвы; r_о - радиус колеса, м; а₁ и а₂ - соответственно расстояния от оси колеса до входа в зону загрузки и выхода из зоны разгрузки, м; х - расстояние от оси колеса до рассматриваемой точки «к», м.

Подставив в уравнения (11) значения нормальных контактных напряжений определяемых зависимостями (15), получим:

, (12)

где а₃ - расстояния от оси колеса до выхода колеса из зоны разгрузки, м.

Тогда горизонтальное перемещение почвы по оси направления движения пневматического колеса будем определять по формуле:

. (13)

Полную глубину следа определим по зависимости:

. (14)

Упругая деформация почвы в следе имеет вид:

. (15)

Остаточная глубина следа h_о после прохода пневматического колеса определяется как разность между полной глубиной следа и упругой деформации почвы в следе, то есть h_о=h_п-h_у.

Величину погружения почвозацепов в почву определим по выражению:

h_з=h+h'_з[1-( S_з/S_общ)], (16)

где h - средняя глубина погружения, м; h'_з - высота почвозацепов, м; S_з и S_общ - соответственно опорная площадь контакта почвозацепов и площадь всего контакта, м².

Максимальное значение высоты почвенного вала равно длине почвозацепа h=?_п.

Зная полную деформацию почвы после прохода пневматического колеса, плотность почвы по оставленному следу определяем по зависимости:

, (17)

где _о - начальная плотность почвы, г/см³.

При многократных проходах по одному следу пневматического колеса, увеличение плотности почвы после каждого прохода можно определить, используя зависимость:

=_к-(_к-_о)е^-kn, (18)

где _к - плотность почвы, к которой стремится почва при n, г/см³; n - количество проходов пневматического колеса по одному следу; k - коэффициент.

Как видно на глубину оставленного следа и плотность почвы после прохода пневматического колеса большое влияние оказывает нагрузка на оси и количество проходов по одному следу. Поэтому была сформулирована рабочая гипотеза о возможности снижения воздействия движителей машинно-тракторного агрегата на почву при совмещении сева и внесения минеральных удобрений. Суть гипотезы заключается в результате конструктивно-компановочной схемы МТА обеспечивающей одновременный сев с внесением минеральных удобрений, при этом снижая кратность воздействия и минимизируя негативные уплотняющие воздействия выравниванием нагрузки по осям трактора.

Техническим решением представленной гипотезы является создание комбинированного посевного агрегата, состоящего из трактора и прицепной сеялки, снабженного баком для жидких минеральных удобрений. Так как у серийного трактора ЛТЗ-155 на переднюю ось приходится 63 % от общего веса, целесообразно для выравнивания веса по осям, бак с минеральными удобрениями устанавливать на заднюю ось трактора с возможностью перемещения, что позволит производить равнозначное распределение суммарного веса по осям трактора.

Рассмотрев уравнения моментов создаваемых силами относительно точек О₁ и О₂ определим реакции под опорными колесами соответствующих осей, рисунок 2:

М_о1=0 R_пL+G_жХ_ж-GX_c+P''_крd+P'_крh=0; (19)

М_о2=0 R_зL-G_ж(Х_ж+L)-G(L-X_c)-P''_кр(d+L)-P'_крh=0, (20)

где L - база трактора, м; Х_ж, Х_с, d и h - плечи действия соответствующих сил, м; R_п и R_з - соответственно реакции под движителями передней и задней осей трактора, кН; P''_кр и P'_кр - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие крюкового усилия, кН; G - сила веса трактора, кН; G_ж - сила веса бака с минеральными удобрениями, кН.

В работах Левченко С.А. и др. утверждается, что минимальным воздействием на почву обладает трактор с равнозначным распределением массы по осям, выразив из уравнений (19) и (20) реакции под опорными колесами и приравняв их, получим зависимость массы бака с минеральными удобрениями от его смещения относительно задней оси трактора, при расходе удобрений, сохраняя равнозначное распределение силы веса по осям:

. (21)

Наличие бака увеличивает суммарный вес трактора, что может вызвать негативное воздействие движителей на почву, с учетом равнозначного распределения веса по осям трактора, максимальный вес бака определится из выражения:

, (22)

где Q_доп - допустимое давление движителей на почву, регламентируется ГОСТ, МПа; G_з - сила веса приходящаяся на заднюю ось трактора, Н; D_к - диаметр колеса, м; h_п - полная глубина следа, м; - деформация шины, м; - коэффициент изменения ширины шины при погружении в почву; В_ш - ширина шины, м.

В процессе передвижения трактора по полю происходят колебания жидкости в баке, что нежелательно. С целью минимизации динамических колебаний жидкости в баке устанавливаются перегородки, расстояние между которыми определяется по зависимости:

посев трактор удобрение

, (23)

где D_б - приведенный диаметр бака, м; L_б - длина бака, м.

При выборе емкости бака необходимо учитывать производительность агрегата определяемой по зависимости:

,(24)

где V_б - вместимость бака, кг; Н_уд - норма внесения удобрений, кг/га; П_з - производительность заправочных средств, кг/ч; t_о - время на остановку агрегата и подъезда к нему заправочных средств, ч; L_г - длина гона, км; L_п - длина одного поворота, км; - коэффициент, учитывающий вес дополнительных приспособлений; В - рабочая ширина захвата агрегата, м; _д - коэффициент учитывающий допустимую нагрузку двигателя; Nе - мощность двигателя трактора, кВт; N_с - мощность, расходуемая на преодоление сопротивления передвижению прицепной сеялки, кВт; f_к - коэффициент сопротивления качению трактора с баком для жидких минеральных удобрений; G_т и G_ж - соответственно силы веса трактора и бака с минеральными удобрениями, кН.

Коэффициент сопротивления качению трактора с баком для минеральных удобрений будем определять как:

, (25)

где r_к. - приведенный радиус колеса, м; М_к - крутящий момент на оси колеса, кНм; G_к - сила веса на оси колеса, кН.

Тогда, с учетом равнозначного распределения веса по осям трактора и соответствия производительности сеялки, объем бака для минеральных удобрений определяется по зависимости:

. (26)

В результате теоретических исследований с целью равнозначного распределения веса по осям трактора рекомендуется устанавливать бак с минеральными удобрениями над задней осью трактора, при этом диаметр бака D_б=0,85 м, длина L_б=1,7 м.

В третьем разделе “Программа и методика экспериментальных исследований” приведены программа и методика лабораторных и экспериментальных исследований воздействия движителей комбинированного посевного агрегата на почву.

В соответствии с результатами теоретических исследований была разработана лабораторная установка, имитирующая ходовую систему трактора. В ходе лабораторных исследований определялось влияние массы приходящейся на оси колесного движителя и внутреннего давления в шинах на распространение изобар напряжений в почве, глубину следа и сопротивление передвижению колеса.

Сравнительные испытания комбинированного посевного агрегата оборудованного устройством для внесения жидких минеральных удобрений ЛТЗ-155+3СЗ-3,6 (экспериментальный агрегат) и серийного посевного агрегата ЛТЗ-155+3СЗ-3,6 с последующим проходом агрегата для внесения жидких минеральных удобрений МТЗ-80+ОТМ-2 (серийные агрегаты), проводились в полевых условиях с соблюдением ГОСТ 7057-81, ГОСТ 20915-75, ОСТ 70.2.2.-80 и РД 10.2.2-89.

Комбинированный посевной агрегат с устройством для внесения жидких минеральных удобрений состоит из базового трактора ЛТЗ-155, трех сеялок СЗ-3,6, сцепки СП-11А и показан на рисунке 3 (вылет бака максимальный). Над задней осью базового трактора 1 устанавливается бак 2, в котором находятся жидкие минеральные удобрения. Бак установлен на специальной сварной раме 3, с возможностью перемещения с помощью гидроцилиндра 4 по направляющим в направлении движения трактора. На баке установлен электрический насос-дозатор 5 для подачи минеральных удобрений по трубопроводам 6 в распылители расположенные на тыльной поверхности сошника сеялки.

В ходе проведения экспериментальных исследований измеряли: плотность почвы (методом режущего цилиндра), ее твердость (плотномером А.Н. Ревякина) и макроагрегатный состав (методом сухого рассева, предложенного Н.И. Савиновым), глубину следа (прибором конструкции СГАУ).

При проведении сравнительных тяговых испытаний измерения проводились тензометрическим способом с синхронной записью измеряемых величин (многоканальный светолучевой осциллограф К-20-22, тензометрический усилитель Топаз-3-02, первичные датчики): крутящих моментов на полуосях трактора, частоты вращения полуосей, тягового усилия, расхода топлива, частоты вращения путеизмерительного колеса.

Рисунок 3. Вид трактора ЛТЗ-155 оборудованного баком для жидких минеральных удобрений (максимальное смещение бака): 1 - трактор ЛТЗ-155; 2 - бак с минеральными удобрениями; 3 - рама крепления бака на остове трактора; 4 - гидроцилиндр; 5 - насос-дозатор; 6 - трубопроводы.

Обработка опытных данных осуществлялась методами теории вероятности и математической статистики с использованием современной вычислительной техники и программными продуктами Matcad, Statistica, Exel.

В четвертом разделе “Результаты экспериментальных исследований и их анализ” представлены результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ лабораторных исследований показал, что на глубину следа и сопротивление передвижению одиночного пневматического колеса оказывает сильное влияние сила веса на оси и внутреннее давление воздуха в шине. Аналогичная тенденция прослеживается и при передвижении тандемной ходовой системы. При этом наименьшие значения глубины следа и сопротивления передвижению тандемной ходовой системы зафиксированы при равнозначным распределением веса по осям, что соответствует коэффициенту загрузки передней оси равным 0,5, рисунок 4.

Равнозначное распределение веса по осям экспериментального трактора достигается установкой бака с жидкими минеральными удобрениями над задней осью, при условии выполнения равенства (21) рисунок 5. Необходимо отметить, что по мере передвижения экспериментального агрегата по полю происходит снижение веса бака с минеральными удобрениями в зависимости от нормы внесения и длины гона, рисунок 6. Для сохранения постоянства равнозначного распределения веса по осям трактора необходимо постоянное смещение бака.

Проведенные полевые исследования показали, что использование технологии возделывания яровой пшеницы с применением экспериментального комбинированного посевного агрегата с устройством для жидких минеральных удобрений, позволяет за счет снижения количества проходов по полю снизить площадь уплотнения поля на 15,5 % по сравнению с набором машин традиционной технологией. Данное обстоятельство позволило снизить деформацию почвы после прохода экспериментального комбинированного посевного агрегата в среднем во всех горизонтах на 22,5 % по сравнению с последовательными проходами серийного посевного агрегата и агрегата для внесения минеральных удобрений.

Важнейшим показателем эффективности применения экспериментального агрегата явилось уплотнение почвы по следам движителей трактора. Выявлено, что наибольшему уплотнению подвергается верхний слой почвы 0...20 см, рисунок 7. Сравнительный анализ показал, что плотность почвы после прохода экспериментального агрегата (при условии равнозначного распределения массы трактора ЛТЗ-155 по осям) по сравнению с последовательными проходами посевного агрегата ЛТЗ-155+3СЗ-3,6 и агрегата для внесения удобрений МТЗ-80+ОТМ-2 ниже в горизонте 0-10 см на 17,7 %; 10-20 см на 14,6 %; 20-30 см на 13,4 % и 30-40 см на 12,5 %. При этом среднее снижение плотности почвы составило 14,5 %.

Твердость почвы - один из основных параметров влияющих на динамику всходов, развитие растений, и оценку энергозатрат на последующую обработку почвы. Так, после последовательных проходов посевного агрегата ЛТЗ-155+3СЗ-3,6 и агрегата для внесения минеральных удобрений МТЗ-80+ОТМ-2 твердость почвы в горизонте 10 см была на 13,8 % выше, чем по следу экспериментального комбинированного посевного агрегата.

При оценке эффективности применения экспериментального агрегата, наряду с основными параметрами почвы определялась глубина следа. Результаты замеров приведены в таблице 1.

Анализ полученных данных показал, что использование экспериментального агрегата способствовало значительному уменьшению глубины следа.

Причиной снижения глубины следа после прохождения экспериментального агрегата, явилось то, что установка бака с минеральными удобрениями со смещением относительно задней оси трактора позволило снизить силу веса на передней оси и получить равнозначное распределение веса трактора по осям. В результате этого снизилось максимальное контактное давление движителей передней оси на почву, что привело к уменьшению деформации.

Таблица 1

Изменение глубины следа (h, мм) после прохода движителей серийных и комбинированного агрегатов.

В ходе экспериментальных исследований производилась оценка макроагрегатного состава почвы. Так, после прохода экспериментального агрегата коэффициент структурности на 12 % больше по сравнению с последовательными проходами серийных посевного агрегата и агрегата для внесения минеральных удобрений, коэффициент распыления уменьшился на 31 %, коэффициент глыбистости на 17 %. Из этого следует, что использование комбинированного посевного агрегата с устройством для внесения жидких минеральных удобрений на тракторе ЛТЗ-155 приводит к улучшению структуры почвы.

Для комплексной оценки степени влияния дополнительно установленного бака с минеральными удобрениями на задней оси трактора на тягово-сцепные качества трактора ЛТЗ-155 были проведены сравнительные испытания. Установлено, что установка бака на трактор приводит к увеличению его тягово-сцепных качеств в среднем на 3,5 %.

С целью определения наличия бака с жидкими минеральными удобрениями на производительность комбинированного посевного агрегата были проведены соответствующие исследования. С увеличением емкости бака с 0,2 м³ до 1,0 м³ происходит увеличение производительности агрегата на 3,1 %. При дальнейшем увеличении емкости бака до 2,0 м³ происходит снижение производительности посевного агрегата на 1,5 %, рисунок 8.

Рисунок 8. Влияние геометрической емкости бака на изменение плотности почвы после прохода движителей экспериментального посевного агрегата и на его производительность.

Увеличение производительности посевного агрегата объясняется тем, что увеличение емкости бака с минеральными удобрениями позволяет сократить время остановок агрегата на заправку минеральными удобрениями.

В пятом разделе «Технико-экономическая эффективность использования экспериментального комбинированного агрегата» приведен расчет экономической эффективности применения комбинированного посевного агрегата оборудованного устройством для жидких минеральных удобрений. За счет снижения потерь урожая зерновых сельскохозяйственных культур по следам движителей, и сокращения числа операций, позволило получить годовой экономический эффект в размере 809,31 руб./га на один агрегат.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников и патентный поиск по уплотняющему воздействию движителей сельскохозяйственных тракторов показал, что первый проход движителей приводит к повышению плотности почвы от 1,35 г/см³ до 1,4 г/см³, а последующие проходы до 1,6 г/см³. Данные показатели всегда выше оптимальной плотности почвы необходимой для нормального развития растений, в связи с этим необходимо принятия решений по снижению воздействия движителей тракторов на почву. Анализ способов снижения уплотнения почвы, устройств и рабочих органов показал, что резерв снижения находится в совмещении операций. Для снижения воздействия движителей тракторов на почву необходимо создание комбинированных агрегатов.

В результате была предложена конструктивно-технологическая схема комбинированного посевного агрегата на базе трактора ЛТЗ-155 оборудованного устройством для жидких минеральных удобрений.

2. В ходе теоретических исследований выведены аналитические зависимости изменения деформации почвы под движущимся пневматическим колесом с учетом нагрузки выражение (2); изменения плотности почвы при многократных проходах зависимость (18); изменения коэффициента сопротивления качению (25).

3. Выведены аналитические зависимости (21), (22), (23), (26) для определения геометрических параметров нового комбинированного посевного агрегата оборудованного устройством для жидких минеральных удобрений: диаметр бака равен D_б=0,85 м, длина L_б=1,7 м.

4. Применение комбинированного посевного агрегата на базе трактора ЛТЗ-155 оборудованного устройством для жидких минеральных удобрений за счет снижения количества проходов по полю и равнозначного распределения суммарной массы по осям трактора по сравнению с набором машин по серийной технологии посева (посев с последующим внесением минеральных удобрений) позволяет снизить плотность почвы на 14,5 %, твердость почвы на 16,5 %, глубину следа 24,5 %. Наименьшее воздействие движителей комбинированного посевного агрегата происходит при соответствии наполнения бака и его смещения обеспечивающим равнозначное распределение массы по осям трактора.

5. Использование комбинированного посевного агрегата на тракторе ЛТЗ-155 с устройством для внесения жидких минеральных удобрений позволяет повысить урожайность яровой пшеницы по следам движителей, по сравнению с традиционной технологией посева, на 8 % и снизить расход топлива на 6,3 %, что позволяет получить годовой экономический эффект на один агрегат в сумме 809,31 руб/га, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,12 года.