Role of soil bin in studies of processes in the “working organ - soil” system

Full Text

Деятельность научного учреждения, связанная с созданием и исследованием новых рабочих органов машин для обработки почвы и посева, обычно оценивается по наличию почвенного канала или испытательного полигона. Разработка новых рабочих органов обязывает учитывать всевозможные факторы проведения исследований, такие как влажность, твердость и состав почвы, глубина обработки, скорость агрегата, рельеф поля, буксование колес трактора и др. Влияние каждого из этих факторов изучается во время проведения большого числа хозяйственных и полевых опытов [1], которые, в свою очередь, зависят от ожидания благоприятных погодных условий, иногда занимающего длительное время. Исследование тех же факторов в камеральных условиях значительно экономит время испытаний. Применение современных компьютерных технологий позволяет использовать моделирование процесса при помощи построения 3D-моделей машин и их рабочих органов и тем самым обеспечивает высокую точность воспроизведения реальных условий. При этом решаются вопросы удобства обслуживания измерительной аппаратуры, становится возможным использование гидравлических и электрических стендов с повышенной точностью измерений, необходимых, например, при проведении трибологических исследований. Появляется возможность организации всесезонных и круглосуточных стендовых испытаний. Кроме того, при оснащении современным оборудованием возможна апробация отдельных рабочих органов на специальных стендах. В середине прошлого века настоящим бумом было оснащение НИИ и учебных заведений, связанных с изучением сельхозмашин, так называемыми почвенными каналами. Сдерживающим обстоятельством, сначала ограничившим широкое использование почвенных каналов, а затем и сократившим их количество, стала необходимость периодической смены почвы в канале, а также невозможность (как тогда, так и в настоящее время) задания необходимых физико-механических свойств почвы. Если первая проблема может быть решена за счет своевременной организации смены грунта, то со второй все гораздо сложнее, так как речь фактически идет о создании искусственной почвы или об ее имитации [а.с. СССР № 1046647]. Оценка результатов исследований прочности почвенного пласта и сопротивления различным деформациям, характера разрушений во времени и пространстве становится более точной, однако до решения обратной задачи - задания условий проведения экспериментов - еще далеко. Получение достоверных данных по взаимодействию рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин с реальной почвой в почвенном канале возможно путем частой замены сравнительно больших не тронутых предварительной деформацией фрагментов почвы, имеющих необходимую влажность и твердость. При этом поддержание физико-механических свойств почвы представляется более простой задачей, чем создание искусственной почвы с сохраненной почвенной биотой. Во всех остальных случаях может идти речь только о сравнительных экспериментах, цель которых - оценка функциональных или энергетических характеристик отдельных усовершенствованных рабочих органов или всей машины в целом. Другая проблема была связана с необходимостью масштабирования исследуемых в почвенных каналах рабочих органов или фрагментов испытываемых машин, определения корреляционных зависимостей (критериев подобия) в процессе взаимодействия подобных воздействий на почву (удар, деформация, крошение, разрушение, износ и т.п.) отдельных уменьшенных рабочих органов или их сочетаний. В настоящее время такая постановка вопроса представляет собой типовую задачу теории подобия, от корректного решения которой зависит точность проведения экспериментов и сходимость полученных характеристик. По мере совершенствования конструкций почвенных каналов, главным образом в части увеличения размеров тележки, возрастала мощность двигателя, менялся состав измерительной аппаратуры, внедрялся гидропривод рабочих органов, но в целом общая компоновка конструкции оставалась примерно такой же, как и у тележки М.Х. Пигулевского [2] с неподвижными рабочими органами и движущимся грунтом. Новая конструкция имитационного стенда (рис. 1) для моделирования процесса взаимодействия «рабочий орган - почва» создана в УкрНИИПИТе им. Л. Погорелого [3]. Стенд с дисковым рабочим органом для имитационного моделирования операций возделывания почвы состоит из механизма привода ленточного транспортера 1, ленточного транспортера 2, цепи привода ленточного транспортера 3, механизма крепления рабочих органов 4, рамы для механизма крепления рабочих органов 5, направляющих для имитационного дискретного фона 6, рольганга 7, рабочих органов (диска) 8, винта для поднятия механизма повода высевающего аппарата 9, электрического шкафа с элементами управления стендом 10, рамы стенда 11. Отличительная особенность стенда - использование трехсекционной конструкции, в которую входят подающий рольганг с устанавливаемым на нем ящиком с реальной почвой, протягивающая транспортерная лента и приемный рольганг, на который перемещается ящик после проведения опыта. При испытаниях высевающих рабочих органов вместо ящиков с почвой на рольганг вместо транспортера с липкой лентой может устанавливаться доска, покрываемая на период опыта липким веществом. Над этим устройством на кронштейнах устанавливаются испытываемые рабочие органы. Условия проведения экспериментов определяются программой имитационных исследований. Известны конструкции, существенно уменьшающие потребность в большом камеральном помещении за счет того, что почва располагается на движущихся бесконечных лентах [4]. Вместо лент могут быть использованы вращающиеся кюветы с почвой (кольцевой почвенный канал). На рис. 2 показан стенд для исследования рабочих органов почвообрабатывающих машин [пат. РФ № 2279050]. Он содержит желоб с почвой 1, раму с направляющими колесными парами 2 для перемещения тензометрической тележки 3 с рабочими органами 4, снабженной механизмом вертикального перемещения относительно желоба с силовым гидроцилиндром 5, насосную станцию 6, пульт управления 7, монтажные плиты 8, направляющие полозья 9 и силовой блок 10. Стенд дополнительно снабжен блоком торможения тензометрической тележки 11 с установленным на ней кронштейном для крепления рабочих органов, двумя раздвижными силовыми платформами и тросовыми барабанами 12. Представляет интерес практика создания почвенных каналов для решения частных вопросов проектирования. Так, в Костанайском ГУ для уточнения оптимального расстояния между плоскорежущими рабочими органами был спроектирован и изготовлен передвижной почвенный канал, состоящий из рамы прямоугольной формы, опирающейся на лыжи, и вспомогательной рамы, подвешенной на основную. На вспомогательной раме имеются брусья, на которые устанавливаются пять рабочих органов от культиваторов КПШ-9. Расстояние между лапами составляет 0,9 м, в продольном направлении - от 0 до 2 м. Между основной и вспомогательной рамами установлено тензозвено, регистрирующее тяговое сопротивление. При работе канала исключается влияние со стороны трактора и опор и исследуются факторы, связанные со схемой расстановки рабочих органов. Это дает возможность уменьшить ошибку, возникающую при проведении эксперимента. В качестве испытательной делянки используется специальный полигон, почва на котором отвечает агротехническим требованиям. В качестве классической конструкции почвенного канала можно привести модернизированный канал, построенный в экспериментальном корпусе ВИСХОМа (рис. 3). Модернизация канала была связана с новыми задачами сельхозмашиностроения - ускорением сроков создания и внедрения в производство новой техники для энергонасыщенных тракторов. Решение частных задач по изучению износостойкости, усталостной прочности и надежности отдельных рабочих органов и конструкций машин в целом связано с применением средств магнитографии, стендов для износных исследований, имитационных стендов для ускоренных испытаний рамных конструкций, специализированного оборудования по изучению физико-механических и технологических свойств почв, с.-х. растений и удобрений. Рядом с почвенным каналом, используемым для исследования почвообрабатывающих орудий, устанавливается так называемый малый канал, предназначенный для тонких исследований работы отдельных почвообрабатывающих рабочих органов и высевающих секций сеялок. При этом в качестве измерительной аппаратуры обычно приспосабливаются те же приборы, что и для большого канала. Обобщенный опыт эксплуатации почвенных каналов показал эффективность схемы, сочетающей использование неподвижной почвенной ямы размером 3×60×1,5 м с по возможности быстрой и малозатратной сменой земли и расположенного рядом малого почвенного канала с движущимся слоем почвы, для исследования отдельных рабочих органов почвообрабатывающих машин и сеялочных секций. Целесообразно применение электромеханической трансмиссии с клиноременными передачами, предназначенными для собственного перемещения тележки, подготовки почвенного фона, привода испытываемых рабочих органов и остановки конструкции в конце прохода. В первом случае контрольно-измерительная аппаратура располагается непосредственно на раме тележки и управляется с места оператора, а во втором устанавливается стационарно на специальной площадке. Основной элемент почвенного канала - тяговая транспортная тележка, блок-схема привода которой представлена на рис. 4, укомплектованная составными агрегатами трансмиссии. При проектировании почвенного канала необходимо учитывать основные параметры: мощность тягового электродвигателя, габаритные размеры тяговой тележки, эксплуатационный вес, нагрузки на ось, предельную силу тяги по сцеплению колес с рельсами, рабочие скорости, диапазон изменения скоростей, частоты вращения вала отбора мощности, параметры и размеры рабочих мест оператора. Для привода тяговой тензометрической тележки почвенного канала также может быть использована механическая трансмиссия с клиноременным вариатором скорости (КРВ). Вращение от электродвигателя передается через КРВ и муфту сцепления на коробку передач (КП). Общий диапазон регулировки рабочих скоростей: , где Vт max и Vт min - максимальная и минимальная скорости движения тележки. В случае применения КРВ и КП диапазон регулирования D определяется как: , (1) где Dвар и DКП - диапазоны регулирования КРВ и КП. Диапазон регулирования 5-ступенчатой КП равен: … , (2) где ; ij - передаточное отношение j-й передачи. Для обеспечения бесступенчатого регулирования во всем диапазоне D заданных скоростей должно соблюдаться условие: . (3) Основная силовая характеристика КП - максимально допустимый крутящий момент на ее первичном валу. Примем электродвигатель мощностью Nн , кВт, с номинальным крутящим моментом Мн, Н·м. Пусковой момент двигателя, Н·м: Мпуск = 1,1 Мн . Ориентировочно зададимся передаточным отношением вариатора iвар max = 2. Тогда момент на первичном валу КП, Н·м: , где

About the authors

V. N Zvolinskiy

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vic.nik.ru@yandex.ru

M. A Mosyakov

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

N. Yu Nikolayenko

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

References

Supplementary files