Работа, затрачиваемая агрегатом на обработку почвы

Полный текст

Рост энергонасыщенности технологических процессов обработки почвы сопровождается увеличением скорости движения и ширины захвата почвообрабатывающих агрегатов [1-3]. Многие авторы утверждают, что при этом серьезно ухудшается энергетика обработки почвы, так как увеличение работы на перемещение возрастающих масс трактора и орудия не компенсируется увеличением полезной работы. Выполним анализ этой ситуации. Одно из серьезных упущений современной теории обработки почвы и почвообрабатывающих машин - пренебрежение к исследованию механической работы, затрачиваемой на процесс обработки почвы. Математическая модель работы многим кажется примитивной и потому не достойной внимания. Известно, что работа равна произведению силы и перемещения на косинус угла между ними. Это утверждение справедливо, если сила постоянна как по величине, так и по направлению. Условимся определять работу почвообрабатывающего агрегата как сумму работ: A = A1 + A2 , где A1 - работа, затрачиваемая на технологический процесс обработки почвы и перемещение орудия; A2 - работа, затрачиваемая на перемещение трактора. Примем еще одно допущение: рассматривается постоянная величина усредненного тягового сопротивления орудия, затраты энергии на колебательные движения орудия не учитываются. На почвообрабатывающее орудие действует система сил, поэтому необходимо рассматривать работу, совершаемую главным вектором системы сил R (рис. 1). Эта сила совершает работу на некотором пути L: A1 = R L cosa , (1) где - угол между главным вектором системы сил, действующих на орудие, и направлением движения орудия. Сила, затрачиваемая на передвижение трактора, определяется весом трактора и коэффициентом сопротивления перекатыванию (рассматриваем колесный трактор): F = G f , (2) где G - вес трактора; f - коэффициент сопротивления перекатыванию. Величина веса трактора G определяется необходимостью иметь на крюке силу тяги, равную максимальному тяговому сопротивлению орудия R: R = G m ; G = ; (3) F = , (4) где m - коэффициент сцепления колес трактора с полем при движении. При движении колесного трактора по стерне m = 0,7…0,8. Работа, затрачиваемая на передвижение трактора: A2 = F L = R L . (5) Работа, совершаемая всем агрегатом: A = R L (cos + ) . (6) Определим удельную работу, затрачиваемую на процесс обработки почвы: λ = , (7) или λ = = , (8) где S - площадь поля, обработанного на пути L; B - ширина захвата агрегата. Если не производить упрощение выражения (7), то размерность удельной работы - 1 Дж на 1 м2 обработанной площади. Вариант с упрощением (уравнение (8)) дает размерность 1 кН на 1 м ширины захвата, т.е. имеем удельную силу на 1 м ширины захвата агрегата. Чтобы показать, как изменяется удельная работа λ при росте мощности трактора, необходимо рассмотреть следующую систему. Рост мощности трактора обусловливает рост производительности агрегата за счет увеличения ширины захвата и скорости движения, что, в свою очередь, обусловливает рост тягового сопротивления орудия и изменение величины работы, затрачиваемой на процесс обработки почвы. При этом ширина захвата и скорость движения агрегата взаимосвязаны и не могут быть произвольными. Сила тягового сопротивления орудия Р определяется по широко апробированной формуле В.П. Горячкина: P = f G + k a B + a B V2. Для дальнейших рассуждений эта формула нуждается в некоторой корректировке. Во-первых, нужно подтверждение того, что сила P эквивалентна главному вектору системы сил R. Многоугольник сил с главным вектором R включает все составляющие формулы В.П. Горячкина, поэтому можно считать, что сила Р эквивалентна главному вектору системы сил, действующих на почвообрабатывающее орудие. Необходимость корректировки обусловлена также тем, что вес орудия зависит от ширины захвата и глубины обработки почвы. Определим зависимость веса орудия от ширины захвата и глубины обработки почвы [4]: G = B ( + a B2), (9) где и - коэффициенты, учитывающие прочностные характеристики применяемых конструкционных материалов; a - глубина обработки почвы. С учетом уравнения (9) формула В.П. Горячкина примет вид: P = f B ( + a B2) + k a B + a B V2 . (10) После подстановки полученного значения Р (считаем, что P = R) в уравнение (8) имеем: λ = (f ( + a B2) + k a + a V2)(cos + ) . (11) Скорость движения агрегата определяется крюковой мощностью трактора и тяговым сопротивлением орудия: V = . Производительность агрегата W = B V, поэтому при совместном решении этих уравнений имеем: , или W = . (12) Полученное уравнение позволяет при известных параметрах трактора, с которым агрегатируется орудие, определить влияние на производительность агрегата глубины обработки почвы, характеристик рабочих органов, применяемых конструкционных материалов, а также такие значения скорости движения и ширины захвата агрегата, при которых производительность будет максимальной, - оптимальные значения ширины захвата и скорости движения агрегата с трактором, мощность на крюке которого равна Nкр: Bо = , (13) Vо = . (14) Знание оптимальных значений Bо и Vо позволяет определить максимально возможную производительность агрегата: Wmax= - + , (15) а также его минимальное тяговое сопротивление: Pmin = f Bо ( + a B ) + k a Bо + a Bо V . (16) Поскольку тяговое сопротивление минимально, то показатели удельной работы, затрачиваемой на обработку данной почвы данным трактором и орудием на данную глубину также будут минимальными: λ = (cos + ). (17) Анализ полученной зависимости (рис. 2) показывает, что рост мощности агрегатов при обработке почвы действительно приводит к резкому росту энергоемкости процесса. Заключение Данный анализ свидетельствует о бесперспективности развития почвообрабатывающих агрегатов путем дальнейшего увеличения мощности. Наиболее целесообразно иметь маленькие агрегаты с автоматическим управлением или такие схемы агрегатов, в которых трактор не используется как средство тяги.

Об авторах

В. В Бледных

Челябинская ГАА

Email: rsodk-alfred@yandex.ru
д-р техн. наук, академик РАН

П. Г Свечников

Челябинская ГАА

Email: rsodk-alfred@yandex.ru
д-р техн. наук

Список литературы

Дополнительные файлы