Обоснование параметров и режимов работы тяжелой стерневой пружинной бороны

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.313.3

Обоснование параметров и режимов работы тяжелой стерневой пружинной бороны

Бодалев А.П., Иванов А.Г., Костин А.В.

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Аннотация

Исследован процесс работы пружинного пальца тяжелой стерневой бороны, и выявлены оптимальные параметры и режимы работы бороны с этим пальцем. Выявлена зависимость тягового сопротивления бороны от тягового класса трактора, даны эксплуатационные рекомендации для бороны «КАМА-15», оснащенной стандартными пружинными пальцами.

Ключевые слова: МИНИМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ПОЧВЫ, ТЯЖЕЛАЯ СТЕРНЕВАЯ ПРУЖИННАЯ БОРОНА, ПРУЖИННЫЙ ПАЛЕЦ, ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА, ЭКСПЕРИМЕНТ, КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ, ТЯГОВЫЙ КЛАСС ТРАКТОРА

Одной из основных механических операций для подготовки почвы является боронование. В работе автора [1] подробно рассмотрены существующие орудия и машины для поверхностной обработки почвы, в том числе и для боронования.

Тенденции развития экономики России направлены на ресурсосберегающие и малооперационные технологии [2]. В то же время в современном агропромышленном комплексе разрабатываются орудия и машины, не только сокращающие количество технологических операций, но и уменьшающие их энергоемкость [3]. Изменения затронули и технологии обработки почвы: так, на замену традиционному обороту пласта приходят менее затратные минимальные и «нулевые» системы.

Наиболее эффективными в новых технологиях оказались пружинные бороны, широкий конструктивный обзор которых провел Крылов О.Н. [4]. Одной из самых распространенных в приведенном перечне борон является борона «КАМА» (рис. 1).

Основным рабочим органом такой бороны являются конические пружины, которые при работе на скоростях более 10 км/ч испытывают значительные боковые колебания, что позволяет весьма эффективно крошить комки почвы и разрушать почвенную корку [5].

Рис. 1. Тяжелая стерневая пружинная борона «КАМА»

Однако борона имеет существенный недостаток: за счет своей ширины захвата (15…27 метров) бороне необходим трактор 5 тягового класса, что не позволяет ее использовать в мелких фермерских и подсобных хозяйствах.

Также из-за большой площади опоры на тяжелых глинистых почвах массы бороны не достаточно, чтоб заглубить пружинные пальцы на необходимую глубину обработки.

Для определения оптимальных режимов работы бороны и тягового сопротивления пружинного пальца была собрана лабораторная установка, имитирующая нагрузки на рабочую пружину в условиях, приближенным к полевым (рис. 2) [6, 7].

Опыты проводились исходя из 3 критериев: заглубление пружины h, угол атаки пружины и скорость движения установки V. В результате был определен «критерий оптимизации», позволяющий подобрать оптимальные сочетания вышеуказанных факторов.

В качестве критерия К была выбрана удельная мощность сил сопротивления:

К =, (1)

где: Р - мощность, затрачиваемая на перемещение зуба, Вт; Fс - сила сопротивления зуба (показания динамометра), Н.

пружинный палец борона трактор

Рис. 2. Лабораторная установка

1 - рама; 2 - регулировочные уголки; 3 - регулировочная труба; 4 - пружинный палец бороны «КАМА»; 5 - электродвигатель; 6 - шкив электродвигателя

Обработка данных проводилась по трехуровневому плану Бокса-Бенкина [8, 9]. Заполненная матрица экспериментов представлена в таблице 1, интервалы и уровни варьирования факторов - в таблице 2.

Таблица 1. Заполненная матрица экспериментов

Таблица 2. Интервалы и уровни варьирования

Расчет коэффициентов регрессии осуществлялся при помощи программы «STATGRAPHIC Plus v5.0». В результате расчета коэффициентов получена математическая модель в закодированном виде, связывающая влияние трех факторов на качество обработки почвы. Уравнение математической модели имеет вид:

(2)

Значимость коэффициентов регрессии проверяем по критерию Стьюдента. Коэффициенты регрессии считаются значимыми, если расчетное значение tp больше tтабл. Табличное значение коэффициента Стьюдента равно: tтабл = 2,06. Графическое отображение влияния коэффициентов математической модели представлено на рис. 3.

Рис. 3. Влияние коэффициентов математической модели на качество обработки почвы

После отсева незначимых коэффициентов, определенных по критерию Стьюдента, уравнение (2) примет вид:

(3)

Уравнение модели (3) показывает, что наибольшее влияние в заданных интервалах варьирования факторов на параметр оптимизации оказывает глубина заглубления пружинного пальца в почву. Меньшее влияние оказывает скорость движения пальца. Наименьшее влияние оказывает угол атаки пружинного пальца. Отрицательный знак перед коэффициентом указывает на уменьшение параметра оптимизации при возрастании изучаемого параметра, а положительный - на возрастание параметра.

С помощью программы «STATGRAPHIC Plus v5.0» получены графики отображения поверхностей откликов (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Графики отображение поверхностей отклика

Из анализа полученных данных следует, что для факторов «глубина заглубления пружины» и «угол атаки пальца» есть центр поверхности отклика, а для скорости движения пальца в сечениях поверхности отклика центр отсутствует.

Для определения численных значений закодированных факторов, обеспечивающих наиболее качественную обработку почвы бороной, находят частные производные:

(4)

Для определения экстремума функции приравниваем частные производные (4) к нулю и решаем систему уравнений относительно неизвестных.

Система решена матричным методом. Таким образом, для пружинного пальца бороны диаметром 14 миллиметров определены оптимальные значения установки угла атаки, глубины заглубления и скорости движения пальца. При этих значениях регулировки будет обеспечено наиболее рациональное использование бороны с эффективной обработкой почвы:

ь глубина обработки почвы h = 6,6 см;

ь угол атаки пружинного пальца = 85 ? 30ґ;

ь скорость движения бороны V = 6,3 км/ч.

Скорость движения бороны напрямую зависит от скорости трактора и, следовательно, его тягового класса. Эксплуатация бороны возможна и с большей скоростью.

Из выражения (3) найдем зависимость коэффициента К от скорости при глубине обработки h = 9 см (фактор А = 1,0), угле атаки пружинного пальца = 90 ? (фактор В = 1,0), что является самым неблагоприятным сочетанием факторов:

. (5)

Выразим тяговое сопротивление одного пружинного пальца из уравнения (3) с учетом (1), сделав замену С = (V - V0)/V, где V0 - минимальное значение скорости бороны, V0 = 2,5 м/с; V - интервал варьирования скорости, V = 0,83 м/с:

(6)

В бороне «КАМА-15» шириной захвата 15 м стоят N = 120 пружинных пальцев, с учетом (6) находим необходимое усилие на крюке трактора Fт для скорости движения машинно-тракторного агрегата (МТА) Fт = N· Fc. Данные расчета приведены в таблице 3 [10].

Таблица 3 показывает, что при скорости 6,3 км/ч тяговое сопротивление составляет порядка 2,5 тонн, что соответствует трактору тягового класса 2.

Таблица 3. Зависимость тягового класса трактора от скорости движения МТА

Однако данная скорость является неприемлемой для данного агрегата, так как боковые колебания, которые позволяют эффективно крошить комки почвы и разрушать почвенную корку, возникают лишь на скоростях свыше 10 км/ч [5].

В то же время полевые испытания показали, что при увеличении скорости возрастает не только усилие, необходимое для перемещения бороны, но и меняется физика работы самого пружинного пальца: палец не заглубляется в почву на рабочую глубину, а лишь вычесывает поверхность поля, при этом еще и стачиваясь.

Список использованных источников

1. Бодалев А.П., Закирова Р.Р., Файзулин М.И. Машины и орудия для поверхностной обработки почвы // Студенческая наука - устойчивому развитию агропромышленного комплекса: Материалы Всероссийской студенческой научной конференции. - 2015. - С. 403.

2. Ляпунцова Е.В., Гукасова Н.Р. Приоритетные инструменты снижения энергоемкости национальной промышленности // Инженерный вестник Дона. - 2015, №1. URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1p2y2015/2793.

3. Лебедев Л.Я., Иванов А.Г., Мухаметшин И.Г. Ресурсосберегающая технология обработки картофеля // Инженерный вестник Дона. - 2015, №2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/2920.

4. Крылов О.Н., Иванов А.Г., Бодалев А.П. и др. Анализ конструкций тяжелых стерневых борон // Научное обеспечение АПК. Итоги и перспективы: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА. - Ижевск. - 2013. - С. 124-132.

5. Дроздов С.Н. Использование вибрации в почвообрабатывающих машинах // Известия ОГАУ. - 2011, №32-1 - С. 94-96.

6. Бодалев А.П., Иванов А.Г., Костин А.В. Определение оптимальных параметров работы тяжелой пружинной зубовой бороны на почвах Удмуртской Республики // Научное и кадровое обеспечение АПК для производственного импортозамещения: материалы Всероссийской научно-практической конференции - Ижевск: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. - 2016. - С. 5-13.

7. Gullscher D.E. Effects of cultivator sweep pitch on tillage forces. St. Joseph, Mich. -1980, N14. - PP. 149-157.

8. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. - Москва: Книга по требованию. - 2013.

9. Butson M.J., Rackham D.H. An improved mathematical model. J. arg. Engg res. -1981, vol. 26, N 5. - PP. 419-439.

10. Зангиев А.А., Шпилько А.В., Левшин А.Г. Эксплуатация машинно-тракторного парка. - Москва: КолосС. - 2003. - C. 59-60.

Цитирование:

Бодалев А.П., Иванов А.Г., Костин А.В. Обоснование параметров и режимов работы тяжелой стерневой пружинной бороны // АгроЭкоИнфо. - 2018, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/1/st_114.doc.

Размещено на Allbest.ru