Substantiation of rational constructive parameters of the chisel subsoiler for autumn tillage of stubble field to tractors of the 8 drawbar category

Full Text

Введение Зимние осадки, после таяния снега, плохо впитываются в необработанный поверхностный слой из-за его переуплотнения. Талые воды стекают и собираются в понижениях, образуют озера, чаще всего прямо на полях. Предотвратить образование озер и обеспечить интенсивное накопление и сохранение влаги зимних осадков на полях можно за счет щелевания почв на глубину 30-35 см. При этом на поверхности поля остается 80-90 % стерни и разрыхленные полосы шириной 45-55 см, способствующие накоплению влаги в почве. Данный агротехнический прием позволяет не только накопить, но и сохранить почвенную влагу за счет наличия на поверхности поля растительных остатков, предотвратить возникновение водной эрозии и повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 25-30 %. В настоящее время на рынке предлагаются различные машины мировых флагманов сельскохозяйственного машиностроения, таких как Case, Zone-Builder фирмы Unverferth и Till-Ripper, фирмы John Deere (США), Salford (Канада). Основными недостатками машин дальнего зарубежья является высокая первоначальная стоимость их приобретения и значительные затраты на запасные части необходимые в процессе эксплуатации. Цель исследований Разработать эффективное техническое средство для щелевания почвы на стерневых, пропашных, паровых фонах и старовозрастных многолетних травах, обеспечивающее повышение производительности с выполнением требований по качеству обработки. Материалы и методы Правильное расположение опорных колес на раме орудия обеспечивает качественное выполнение технологического процесса и минимальное тяговое сопротивление. Рациональные координаты расположения опорных колес и расстояние от рамы орудия до точки соединения со сницей в вертикальной плоскости обосновывались методом математического моделирования на расчетной схеме орудия. Известно, что почвообрабатывающий агрегат представляет собой сложную динамическую систему с множеством наложенных на него внешних и внутренних связей. При составлении математической модели рабочего процесса почвообрабатывающего орудия учесть это множество связей не представляется возможным, поэтому реальное орудие заменяется упрощенной схемой, учитывающей основные факторы, которые оказывают наибольшее влияние на выходные показатели. Пользуясь законами освобождения от связей, заменяют их реакциями. Тогда несвободная материальная система рассматривается как система свободная, движущаяся под действием активных сил и реакций связи. В зависимости от технологического назначения орудия используют соответствующие критерии оценки оптимизации параметров при математическом моделировании. Для почвообрабатывающих орудий, предназначенных для глубокого рыхления почвы, критериями оптимизации параметров при математическом моделировании принимается минимум тягового сопротивления при достаточной устойчивости хода по глубине обработки [1, 2, 3]. Для упрощения математической модели приняты следующие основные допущения: - сумма элементарных сил, действующих на рабочий орган со стороны почвы, представлена в виде горизонтальной и вертикальной составляющих; - при перемещении орудия по полю опорные колеса перемещаются по неровностям без отрыва; - масса орудия сосредоточена в его центре масс; - сила сопротивления рабочих органов по ширине захвата орудия меняется незначительно; - агрегат движется прямолинейно и равномерно. С учетом принятых допущений можно представить, что орудие под действием активных сил, включающих горизонтальную и вертикальную составляющие силы тяги и силы тяжести орудия, а также реакций связи, представленных горизонтальными и вертикальными составляющими реакций на опорных колесах, прорезных дисках, щелерезах и прикатывающих катках, копирует неровности поверхности поля и поворачивается на некоторый угол относительно точки прицепа А. Примем за начало координат точку А и, спроектировав на координатные оси Х и Z активные силы и силы реакции связи, а также взяв моменты относительно точки А, получим систему уравнений равновесия орудия: ΣFX = 0, ΣFZ = 0, (1) ΣMA = 0. Расчетная схема орудия представлена на рис. 1. Проекция сил на ось Х позволит получить уравнение равновесия для составляющих тягового сопротивления: (2) где QX - сопротивление опорных колес перекатыванию, кН; PX - горизонтальная составляющая тягового сопротивления орудия для щелевания почвы, кН; RХД, RХЩ, RХК - горизонтальные составляющие реакции почвы, действующие на дисковый нож, щелерез, прикатывающий каток, кН. Проекция сил на ось Z дает выражение: (3) где - вес орудия, кН; РZ - вертикальная составляющая тягового сопротивления орудия для щелевания почвы, кН; RZД, RZ, RZЩ, RZК - вертикальные составляющие реакции почвы, действующие на дисковый нож, опорные колеса, щелерез и прикатывающий каток, кН. Сумма моментов относительно точки вращения А будет иметь вид: (4) где XД, XG, XQ, XЩ, XK, ZД, ZQ, ZЩ, ZK - координаты расположения рабочих органов, центра тяжести орудия и опорных колес относительно точки вращения А. Составляющие реакции почвы на опорные колеса QX и QZ, реакции почвы на прикатывающий каток RXК, а также проекции сопротивления почвы на вертикальную ось щелерезов RZЩ и прорезных дисков RXД представим через их составляющие: QX = µOQZ, RXK = µKRZK, RZЩ = δЩRXЩ, RXД = δДRZД, (5) где µK, µO - коэффициенты сопротивления перекатыванию прикатывающего катка и опорных колес (0,25; 0,15); δЩ, δД - коэффициенты пропорциональности, соответственно, для щелереза и прорезного диска (0,5; 1,2). Преобразуя выражение (4), заменяем неизвестные реакции их составляющими из выражений (5) и получаем выражение (6) для определения вертикальной нагрузки на опорное колесо прицепного щелевателя. (6) При проведении производственных испытаний экспериментальный образец щелевателя для осенней обработки стерневых фонов к тракторам тягового класса 8 фактические значения условий испытаний определены в соответствии с требованиями ГОСТ 20915 [5]. Агротехническая оценка проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ 33736 [6]. Энергетическая оценка проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52777 [7]. Полученные данные экспериментальных исследований обработаны методом математической статистики [8] с использованием компьютерной программы Excel. Результаты и обсуждение В 2015-2017 гг. в Костанайском филиале «КазНИИМЭСХ» была проведена НИР и разработан экспериментальный образец щелевателя для осенней обработки стерневых фонов к тракторам тягового класса 8. Проведены расчеты по выражению (6). Изменялось расстояние от оси вращения опорных колес до точки А соединения орудия с трактором в пределах от 4,0 до 7,6 м с шагом 1,2 м. Далее изменялось положение точек соединения рамы орудия со сницей в вертикальной плоскости. Сницу соединяли с рамой орудия в четырех точках (четыре варианта В0; В1; В2; В3) от 0 до 300 мм с шагом 100 мм. Первый вариант, - когда точка соединения сницы и рамы лежит на оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости, то есть расстояние равно нулю. Далее сницу опускали вниз на 100, 200 и 300 мм, при этом для каждого положения сницы изменялось положение опорных колес. Определялось влияние положения опорных колес и точки соединения сницы с рамой орудия на вертикальную нагрузку на опорное колесо и изменение тягового сопротивления. Результаты проведенных расчетов представлены на рис. 2 и 3. Рис. 2. Влияние на вертикальную нагрузку на опорные колеса расстояния от точки соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес и расстояния от оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости до точки соединения сницы с рамой: 1 - 0 мм; 2 - 100 мм; 3 - 200 мм; 4 - 300 мм Установлено, что с увеличением расстояния от точки А соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес вертикальная нагрузка на опорное колесо и тяговое сопротивление прицепного щелевателя снижаются. При расстоянии от точки соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес, равном 4,0 м, и условии, что точка соединения сницы с рамой расположена на оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости, вертикальная нагрузка на опорное колесо составила 4,3 кН, при этом тяговое сопротивление достигало 76,9 кН. Увеличение расстояния до 7,6 м способствовало снижению вертикальной нагрузки на опорное колесо до 2,1 кН, а тяговое сопротивление уменьшилось до 75,7 кН. Увеличение расстояния от оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости до точки соединения сницы с рамой до 300 мм, с шагом 100 мм способствовало увеличению вертикальной нагрузки на опорное колесо до 6,0 кН, при этом тяговое сопротивление достигало 77,8 кН. Рис. 3. Влияние на тяговое сопротивление щелевателя расстояния от точки соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес и расстояния от оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости до точки соединения сницы с рамой: 1 - 0 мм; 2 - 100 мм; 3 - 200 мм; 4 - 300 мм Увеличение расстояния до 7,6 м способствовало снижению вертикальной нагрузки на опорное колесо до 3,0 кН, а тяговое сопротивление уменьшилось до 76,1 кН. Устойчивость хода прицепного щелевателя по глубине обработки зависит от усилия, с которым орудие действует на опорные колеса. Исследованиями [4] установлено, что вертикальная нагрузка на одно опорное колесо должно быть не менее 4 кН, при этом обеспечивается устойчивое движение почвообрабатывающих орудий по глубине обработки. Таким образом, устойчивость хода рабочих органов при выполнении технологического процесса щелевания почвы (твердость почвы не менее 6 МПа) будет обеспечиваться при расстоянии от точки А соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес равном 4,3-5,3 м. При этом расстояние от оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости до точки соединения сницы с рамой должно находиться в пределах 0-300 мм. По результатам теоретических исследований была разработана чертежная документация на экспериментальный образец щелевателя для осенней обработки стерневых фонов к тракторам тягового класса 8. В чертежной документации расстояние от точки соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес было принято равны 4,4±0,05 м, а расстояние от оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости до точки соединения сницы с рамой в вертикальной плоскости - равным 150±10 мм. Производственные испытания экспериментального образца щелевателя для осенней обработки стерневых фонов проводились в КХ «Жанахай» (Костанайская обл.) на поле после уборки зерновых колосовых. В период выполнения работ на глубине обработки 0-30 см средние показатели составляли: твердость почвы 4,8 МПа, влажность - 16,3 %, объемный вес - 1,39 г/см3. Перед началом проведения испытаний экспериментального образца были проведены работы по настройке и регулировке глубины хода дисковых рабочих органов и щелерезов, силы воздействия катка на почву и расположения рамы орудия относительно поверхности поля. Экспериментальный образец прицепного щелевателя для осенней обработки стерневых фонов в агрегате с трактором тягового класса 8 представлен на рис. 4. Конструктивно-технологическая схема щелевателя для осенней обработки стерневых фонов включает последовательное расположение дискового рабочего органа, щелереза и прикатывающего катка. Технологический процесс выполняется следующим образом. Дисковый рабочий орган разрезает почву, растительные и пожнивные остатки на глубину до 12 см, щелерез рыхлит почву на глубину до 30 см и образует щель, прикатывающий каток разрушает почвенные комки, частично заполняет щель почвой и выравнивает обработанную поверхность. При проведении испытаний в производственных условиях проверялось влияние технологических и конструктивных параметров (в том числе расположение опорных колес и соединение сницы с рамой орудия) на агротехнические и энергетических показатели и их соответствие исходным требованиям (ИТ). Испытания в производственных условиях проводились на скоростях движения 7,2; 8,9 и 10,0 км/ч. Глубина обработки щелерезом составила 28,5-29,7 см, дисковым рабочим органами - 8,8-9,5 см. Результаты оценки агротехнических и энергетических показателей приведены в таблице. Увеличение скорости движения с 7,2 до 10,0 км/ч приводит к увеличению неравномерности по глубине обработки с 1,0 до 1,4 см. Полученные данные не превышают требования нормативной документации (ИТ) [9]. С увеличением скорости движения возрастают такие показатели, как ширина щели (с 4,0 до 5,9 см), ширина разрыхленной полосы (с 41 до 62 см), гребнистость поверхности поля (с 4,5 до 8,7 см), количество стерни на поверхности поля снижается (с 81 до 60 %). Анализ полученных значений функциональных показателей позволяет сделать вывод, что экспериментальный образец прицепного щелевателя для осенней обработки стерневых фонов выполняет технологический процесс с качеством, соответствующим агротехническим требованиям (НД) на скоростях движения 7,2-8,9 км/ч. Увеличение скорости движения до 10 км/ч способствует увеличению значений показателей, таких как ширина разрыхленной полосы - 62 см, ширина щели - 6,9 см, гребнистость поверхности поля - 8,7 см. Значения этих показатели превышают нормативные требования (ИТ). А показатель сохранности стерни (не менее 90 %) не обеспечивается на всех скоростных режимах. Энергетическая оценка экспериментального образца проводилась одновременно с определением агротехнических показателей. Установлено, что производительность агрегата при ширине захвата орудия 8,8 м и скорости движения 8,9 км/ч за один час основного времени составляла 7,8 га, тяговое сопротивление - 82,3 кН. Часовой расход топлива составил 76,2 кг, при этом на один гектар расходуется 9,7 кг. Мощность, потребляемая на преодоление тягового сопротивления орудия, - 203,5 кВт, при этом удельные затраты энергии в агрегате с трактором Case 535 - 93,9 МДж/га. Заключение По результатам теоретических исследований установлено, что устойчивость хода рабочих органов при щелевании почвы (твердость почвы не менее 6 МПа) обеспечиваеться при расстоянии от точки соединения орудия с трактором до оси вращения опорных колес, равном 4,3-5,3 м. При этом расстояние от оси симметрии рамы в горизонтальной плоскости до точки соединения сницы с рамой должно находиться в пределах 0-300 мм в вертикальной плоскости. На основании результатов теоретических исследований разработана чертежная документация и изготовлен экспериментальный образец щелевателя для осенней обработки стерневых фонов к тракторам тягового класса 8. Проведены экспериментальные исследования. При проведении экспериментальных исследований скорость движения агрегата составляла 7,2; 8,9 и 10,0 км/ч. Глубина обработки щелерезом находилась в пределах 28,5-29,7 см, дисковым рабочим органом - 8,8-9,5 см. При этом неравномерность по глубине обработки находилась в пределах 1,0-1,4 см. Установлено, что на скорости движения до 8,9 км/ч экспериментальный образец щелевателя устойчиво по глубине обработки выполняет технологический процесс, при этом тяговое сопротивление находится в допустимых пределах и не перегружает трактор. Устойчивость выполнения технологического процесса по глубине обработки и тяговому сопротивлению говорит об обоснованности выбранных конструктивных параметров щелевателя для осенней обработки стерневых фонов. Рис. 1. Расчетная схема прицепного щелевателя а б Рис. 4. Экспериментальный образец щелевателя для осенней обработки стерневых фонов: а - вид спереди сбоку; б - в агрегате с трактором Case 535, вид в работе Таблица Агротехнические и энергетические показатели экспериментального образца прицепного щелевателя для осенней обработки стерневых фонов Показатель Значение показателя по НД опыт 1 опыт 2 опыт 3 Агротехнические показатели Скорость движения агрегата, км/ч 6,0-9,0 7,2 8,9 10,0 Рабочая ширина захвата, м 8,8 8,8 8,8 8,8 Глубина обработки щелерезом: - средняя, см - стандартное отклонение, ± см до 35,0 не более 1,5 29,7 1,1 29,2 1,2 28,5 1,4 Ширина щели, см не более 5,0 4,0 4,7 6,9 Ширина разрыхленной полосы, см не более 50 41 46 62 Гребнистость поверхности поля, см не более 8,0 4,5 5,7 8,7 Сохранность стерни, % не менее 90 81 75 60 Энергетические показатели Производительность по основному врем., га/ч 5,3-7,9 6,3 7,8 8,8 Расход топлива за время основной работы, кг/ч не более 88 67,4 76,2 87,1 Тяговое сопротивление машины, кН 70,0-100,0 78,7 82,3 93,5 Мощность, потребляемая с/х машиной, кВт 133,0-250,0 157,4 203,5 261,8

About the authors

Y. U.V Polishchuk

Kostanay branch of Scientific Production Center of Agricultural Engineering

PhD in Engineering Kostanay, Kazakhstan

A. I Derepaskin

Kostanay branch of Scientific Production Center of Agricultural Engineering

DSc in Engineering Kostanay, Kazakhstan

N. V Laptev

Kostanay branch of Scientific Production Center of Agricultural Engineering

Kostanay, Kazakhstan

A. P Komarov

Kostanay State University named after A. Baitursynov

Email: y.polishchuk.62@mail.ru
Kostanay, Kazakhstan

References

Supplementary files