Substantiation of rational length of hitch frame for a wide-cut cultivator

Full Text

Введение Поверхностная обработка почвы - важная составляющая технологий возделывания с.-х. культур, которая оказывает существенное влияние на засоренность, плотность, водо- и воздухопроницаемость почв. На современном рынке с.-х. техники представлен широкий ассортимент орудий для поверхностной обработки почвы, которые существенно различаются по конструкционным и параметрическим характеристикам, определяемым назначением орудия (дискование, культивация по стерне, культивация зяби и т.д.) и предполагаемыми условиями его эксплуатации. От конструкции того или иного узла во многом зависит эффективность выполнения технологического процесса и надежность орудия, причем особое значение имеют типы используемых рабочих органов [1]. Для каждого типа рабочих органов характерны свои функциональные достоинства и недостатки. Так, например, орудия с дисковыми рабочими органами позволяют производить рыхление почвы на больших скоростях с интенсивным крошением, перемешиванием почвы, измельчением растительных остатков. Применение дисковых орудий позволяет проводить заделку в почву удобрений, а также семян сорняков с целью провокации их прорастания [2]. Тем не менее анализ показателей работы позволил установить, что дисковые орудия имеют ряд существенных недостатков в сравнении с культиваторами. Культиваторы нашли широчайшее применение в сельском хозяйстве и производятся на таких предприятиях сельхозмашиностроения, как ОАО «Грязинский культиваторный завод», ООО НПХ «Реста», ЗАО «Ярославское РТП», ЗАО «Апшеронский завод «Лессельмаш», ЗАО «РТП Зерноградское», ООО «Буинский машиностроительный завод», ПАО «Червона Зирка» (Украина), Maschio Gaspardo (Италия), Gardena, Köckerling (Германия), Kverneland (Норвегия), Grégoire-Besson (Швеция), Hatzenbichler (Австрия), Wil-Rich (США), Great Plains (США) и др. [1]. В отличие от дисковых лаповые рабочие органы культиваторов позволяют формировать ровное семенное ложе при предпосевной обработке почвы. Это способствует более равномерной заделке семян и получению более ровных по времени всходов. Рыхление почвы лаповыми рабочими органами происходит без интенсивного выноса нижних влажных слоев на поверхность. Их использование не приводит к образованию микронаклепа или переуплотнению нижнего слоя почвы, как при применении дисковых рабочих органов. Культиваторы более производительны и менее энергоемки, чем дисковые орудия [2]. Современные тракторные культиваторы классифицируют по различным признакам: назначению, ширине захвата (рис. 1) и способу агрегатирования, глубине обработки почвы, отдельным конструкционным особенностям и т.д. Теория культиваторов имеет глубокое обоснование. В то же время выбор параметров прицепного устройства обоснован довольно слабо и сводится, как правило, к рекомендации соотношения рабочей ширины Вр культиватора и его кинематической длины . Рациональным считается соотношение Вр / = 1,3…1,5 [3], обусловленное необходимостью стабилизации перемещений культиватора относительно направления движения агрегата. Однако данная рекомендация была выдвинута на основании исследований рабочего процесса культиваторов с шириной захвата 3,6-6 м и может оказаться нерациональной применительно к конструкции широкозахватных орудий. Цель исследования Цель исследования заключается в обосновании рациональной длины прицепной сницы широкозахватного культиватора. Материалы и методы Вследствие неравномерного заглубления рабочих органов, гетерогенности плотности почвы и других причин суммарное сопротивление P1 и P2 на рабочих органах с левой и правой сторон культиватора (рис. 2) может варьироваться в широких пределах. В случае неодинаковости сил P1 и P2 возникает крутящий момент М, который способствует угловым перемещениям культиватора в горизонтальной плоскости относительно точки О: М = ∆ P r , где ∆P - разность суммарных сил P1 и P2 сопротивления почвы с левой и правой сторон культиватора, Н; r - расстояние от продольной оси культиватора до точки приложения разности сил ∆P, м (при упрощенных расчетах r ≈ 0,25Вр). В то же время возникает момент сил сопротивления Мс повороту культиватора со стороны почвы, который возвращает орудие в исходное положение или изначально не дает ему отклониться. В упрощенной форме его значение равно: Мс = , где Тiср - усредненная сила сопротивления почвы при повороте культиватора, действующая на i-й рабочий орган, Н; - количество рабочих органов культиватора, шт. Рекомендованное соотношение параметров Вр / = 1,3…1,5 обеспечивает соблюдение условия Мс ≥ М , что способствует стабилизации хода орудия. Уменьшение кинематической длины приведет к росту вероятности отклонения оси культиватора от направления движения трактора [3], ее увеличение будет способствовать неоправданному увеличению металлоемкости орудия и его габаритов, снижению маневренности и т.д. При увеличении рабочей ширины культиватора в k раз (см. рис. 2, б) плечо действия сил P1 и P2 также возрастет в k раз. Увеличение ширины захвата орудия будет способствовать выравниванию колебаний нагрузки с обеих сторон от его продольной оси. Соответственно, условий для увеличения разности сил ∆P не создается: М2 = k М1 . В то же время увеличение ширины захвата культиватора приведет к кратному увеличению количества его рабочих органов. Тогда момент сил сопротивления повороту составит: Мс2 = = k . При условии соотношение моментов рассматриваемых сил для широкозахватного и модульного культиваторов: Таким образом, проведенный анализ позволяет заключить, что при постоянной кинематической длине культиватора увеличение его рабочей ширины Вр не приводит к нарушению равновесного состояния орудия. С увеличением ширины захвата культиватора соотношение его параметров Вр / может смещаться в большую сторону от изначально рекомендованных значений Вр / =1,3…1,5 [3] без риска возрастания вероятности угловых отклонений от направления движения агрегата. Кроме того, увеличение ширины захвата культиватора приведет к увеличению его массы (инерционности), что также способствует стабилизации хода. В связи с этим в работе предложено при проектировании параметров широкозахватных культиваторов исходить из условия 1,5 < Вр, что может быть достигнуто путем относительного уменьшения длины Lп прицепной сницы орудия. Экспериментальное исследование влияния кинематической длины культиватора на устойчивость его хода проводилось на примере культиваторов КППУ-8 в рамках испытаний на Северо-Кавказской МИС (Ростовская обл., г. Зерноград). Культиватор КППУ-8 для сплошной обработки почвы [4] спроектирован в Институте агроинженерных проблем АЧГАА (сегодня - Центр инжиниринга и трансфера Азово-Черноморского инженерного института Донского ГАУ) и серийно выпускается ЗАО «РТП Зерноградское». На начальном этапе он производился с прицепной сницей длиной около 4 м (рис. 3, а), благодаря чему обеспечивалось отношение ширины захвата орудия к его кинематической длине около 1,44, что соответствует рекомендованным в рамках сложившейся теории значениям Вр / =1,3…1,5. В 2011 г. было проведено обоснование параметров укороченной прицепной сницы культиватора КППУ-8, и разработана конструкторская документация на нее. С этого же года начато производство культиватора КППУ-8 с укороченной прицепной сницей (рис. 3, б), обеспечивающей соотношение Вр / ≈ 1,9. В 2009 г. испытания проходил культиватор КППУ-8 с длинной прицепной сницей (рис. 4) [5], а в 2011 г. - усовершенствованный культиватор с короткой сницей [6]. Это позволило сравнить показатели работы культиваторов с различной длиной прицепных сниц. Длина прицепной сницы усовершенствованного культиватора оказалась на 1,42 м меньше, чем в изначальном варианте. Благодаря этому общая длина орудия уменьшилась на 18%, кинематическая - на 24%. Масса культиватора уменьшилась примерно на 25 кг. Результаты и их обсуждение Эксплуатационно-технологическая оценка культиваторов КППУ-8 проводилась методом контрольных опытов на культивации (зяби) пара на глубину 10-12 см и предпосевной культивации полупара (пара) на глубину 6-8 см. В таблице представлены агротехнические показатели работы исследуемых культиваторов [5, 6]. Агротехнические показатели работы культиваторов КППУ-8 при лабораторно-полевых испытаниях Показатель Культивация пара (зяби) на глубину 10-12 см Предпосевная культивация пара (полупара) на глубину 6-8 см Год 2009 2011 2009 2011 Средняя глубина обработки, см 10,8 10,4 7,4 6,8 Стандартное отклонение глубины обработки, см ±1,44 ±1,41 ±1,09 ±1,01 Крошение почвы, % (фракции до 25 мм) 79 82,7 93,9 75,3 Гребнистость поверхности поля, см 3,8 2,9 1,2 2,2 Подрезание сорных растений, % 100 100 100 100 Из данных таблицы следует, что глубина обработки на всех фонах соответствовала установочной. Получена хорошая устойчивость глубины хода рабочих органов (±1,01…1,44 см), косвенно подтверждающая, что кинематическая длина орудия в обоих случаях соответствовала рельефу обрабатываемых полей. Качество крошения не всегда укладывалось в допустимые нормы (не менее 80%), что может быть объяснено состоянием комков, полученных при предыдущей обработке. После прохода агрегата показатель гребнистости поверхности поля (1,2-3,8 см) находился в пределах агротребований (не более 4 см). Забивания и залипания рабочих органов не наблюдалось [5, 6]. Особо следует подчеркнуть, что и орудие с типичной длинной прицепной сницей в 2009 г., и орудие с укороченной сницей в 2011 г. обеспечили полное подрезание сорняков на всех фонах. Это говорит о том, что предложенное изменение конструкции орудия не привело к его повышенным угловым смещениям в горизонтальной плоскости и нарушению необходимой степени перекрытия смежных проходов культиваторных лап. При определении показателей работы паровых прицепных универсальных культиваторов КППУ-8 установлено, что коэффициент использования эксплуатационного времени культиватора с укороченной на 1,4 м прицепной сницей в среднем на 4% выше по сравнению с культиватором с рекомендованной длиной прицепной сницы. Баланс времени работы агрегатов за нормативную продолжительность смены позволил заключить, что повышение коэффициента использования эксплуатационного времени связано именно со снижением затрат времени на повороты и холостые переезды. У усовершенствованного культиватора эти затраты в среднем в 1,34 раза ниже, чем у культиватора с классической длиной прицепной сницы. Выводы Уменьшение длины прицепной сницы широкозахватного культиватора на 1,4 м (уменьшение кинематической длины культиватора на 24%) позволило снизить массу орудия на 25 кг. При этом коэффициент использования эксплуатационного времени культиватора с укороченной сницей был в среднем на 4% выше, чем у орудия с длинной сницей. Оба сравниваемых орудия обеспечили стопроцентное уничтожение сорной растительности. Это позволяет заключить, что изменение параметров прицепной сницы не привело к повышению вероятности угловых смещений культиватора в горизонтальной плоскости и нарушению необходимой степени перекрытия смежных проходов культиваторных лап. Полученные данные позволяют сделать общий вывод, что обоснованное уменьшение кинематической длины с.-х. машин и орудий приводит к повышению эффективности их эксплуатации. Из этого следует косвенный вывод о перспективности дальнейшей разработки и внедрения в производство компактных в продольном направлении облегченных широкозахватных машин и орудий.

About the authors

A. Yu Nesmiyan

Azov-Black Sea Engineering Institute of Don State Agrarian University

Email: nesmiyan.andrei@yandex.ru
PhD in Engineering Zernograd, Russia

References

Supplementary files