Energetic and quality data in the deviace cultivating machine-tractor unit in the working bodies avto-oscillations mode

Abstract

The article presents the results of experimental researches influence of resonant modes of the working bodies of the cultivator BOURGAULT 8810 on the energy and quality indicators tillage.

Full Text

УДК 629.3.014.2:621.3 Энергетические и качественные показатели работы культиваторного МТА в режиме автоколебаний рабочих органов д.т.н. Гапич Д.С., к.т.н. Фомин С.Д., Денисова О.А. ФГБОУ ВО Волгоградский государственный аграрный университет (8442) 41-13-70, Gds-08@mail.ru, fsd_58@mail.ru, denisova_olga_@mail.ru Аннотация. В статье представлены результаты экспериментальных исследова- ний влияния резонансных режимов работы рабочих органов культиватора BOURGAULT 8810 на энергетические и качественные показатели обработки поч- вы. Ключевые слова: рабочий орган, пар, стерня, упругий элемент. Одним из направлений повышения качества обработки почвы по критериям энергоэф- фективности является создание рабочих органов, которые используют прогрессивные прин- ципы воздействия на обрабатываемую среду. На практике это достигается использованием почвообрабатывающих орудий, в конструкции которых заложен упругий элемент в крепле- нии рабочих органов. Такой упругий элемент выступает в качестве устройства способного, при определенных условиях, возбуждать колебания рабочего органа, что, согласно экспери- ментальным данным многих исследователей, улучшает очистку рабочих органов от нависа- ния растительных остатков и почвы, крошение почвенного пласта, а также снижает общее тяговое сопротивления почвообрабатывающего орудия до 15% [1]. Кроме того, обеспечива- ется возможность изменения степени воздействия рабочего органа на почву и управление качеством процесса обработки. Действенные незатухающие колебания рабочего органа во время работы машинно- тракторного агрегата (МТА) поддерживаются настройкой частоты его собственных колеба- ний на частоту колебаний, возбуждаемую в динамике рабочего процесса путем изменения жесткости упругого элемента в креплении. Для оценки влияния характерных режимов работы рабочих органов (дорезонансного, резонансного и послерезонансного) на энергетические и качественные показатели работы почвообрабатывающего орудия были проведены экспериментальные исследования. В каче- стве объекта исследования был выбран культиватор модели Bourgault 8810, оснащенный упругими элементами в креплении рабочих органов к раме. Специальные устройства в креплении упругих элементов, обеспечивали регулировку их жесткости [2], а следовательно позволяли настраивать собственную частоту колебаний рабочих органов на превалирующие частоты возмущающих воздействий. Исследования проводились в Даниловском районе Волгоградской области на двух поч- венных фонах: стерня пшеницы и пар. Влажность почвы составляла 12-14% для каждого почвенного фона. Оптимальное значение жесткости упругого элемента, позволяющего генерировать не- затухающие колебания рабочего органа, оценивается выражением: 2  c  2 J z  ma  h2 mga , где:  - частота вынужденных колебаний горизонтальной составляющей тягового сопротивления, с-1; J z - момент инерции культиваторной стойки относительно оси подвеса, кг⋅м2; m - масса стойки, кг; a и h - конструктивные параметры культиваторной стойки, м [3]. Частота вынужденных колебаний определялась по спектральной плотности горизон- тальной составляющей тягового сопротивления рабочего органа (рисунок 1). Рисунок 1. Спектральные плотности горизонтальной составляющей тягового сопротивления рабочего органа культиватора: 1 - фон стерня, 2 - фон пар Расчетное значение жесткости упругого элемента, обеспечивающей максимальное снижение горизонтальной составляющей тягового сопротивления, составило: для почвенно- го фона стерня - 133 кН/м, пар 85 кН/м. В качестве основного показателя энергоемкости процесса обработки почвы в процессе эксперимента, фиксировалась крюковая нагрузка трактора при постоянной теоретической скорости движения МТА. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2. Анализ экспериментальных данных показывает, что при работе на режимах близких к резонансу наблюдается снижение крюкового усилия трактора. На почвенном фоне стерня снижение составило 17% по сравнению с жестким креплением рабочего органа, и 11% на почвенном фоне пар. Качество работы орудия оценивалось по глубине обработки и степени крошения поч- венного пласта. Глубина обработки определялась по диагонали контрольного участка при помощи линейки по ГОСТ 17435-72, отклонение глубины обработки от среднего значения представлено на рисунке 3. Сравнение результатов агротехнической оценки показало, что использование режима автоколебаний рабочих органов существенно влияет на устойчивость хода рабочего органа в вертикальной плоскости. Можно предположить, что на почвах со слабыми диссипативными свойствами будет наблюдаться нарушение агротехнических требований предъявляемых к культивации. Рисунок 2. Зависимость крюкового усилия трактора John-Deere- 8430 от жесткости упругих элементов в креплении рабочих органов культиватора Bourgault 8810: 1 - фон стерня, 2 - фон пар Рисунок 3. Отклонение глубины обработки от среднего значения в зависимости от жесткости упругих элементов в креплении рабочих органов культиватора Bourgault 8810: 1 - фон стерня, 2 - фон пар Дальнейшие сравнительные экспериментальные работы были направлены на оценку качества крошения почвенного пласта. На первом этапе обработанная почва разделялась на фракции диаметром более 100 мм; 50-100 мм; 25-50 мм; менее 25 мм. Результаты этих работ представлены на рисунках 4 и 5. Рисунок 4. Влияние жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа на фракционный состав почвы. Фон стерня: 1 - фракции размером менее 25 мм, 2 - фракции размером 25-50 мм, 3 - фракции размером 50-100 мм, 4 - фракции размером более 100мм Рисунок 5. Влияние жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа на фракционный состав почвы. Фон пар: 1 - фракции размером менее 25 мм, 2 - фракции размером 25-50 мм, 3 - фракции размером 50-100 мм Анализ графических зависимостей позволяет утверждать, что при работе на режимах близких к резонансу существенно улучшается качество крошения почвенного пласта. Наблюдается увеличение фракций диаметром до 25 мм и значительное уменьшение нежела- тельного, с точки зрения агрономии, количества фракций диаметром более 100мм. Напом- ним, что агротехническими требованиями к предпосевной обработке стерневых фонов ре- гламентируются наличие количества фракций диаметром менее 25 мм до 80%. Использова- ние резонансного режима позволяет значительно приблизиться к данному показателю. В случае жесткого крепления рабочего органа культиватор неспособен обеспечить предъявля- емые агротехнические требования на всех почвенных фонах. Использование резонансных режимов работы может существенно влиять на устойчи- вость почвенного фона к ветровой эрозии. Господствующие ветры в Волгоградской области дуют со скоростью 5…6 м/с, поэтому к эрозионно-опасным почвенным частицам относятся частицы диаметром менее 1 мм. Почвы, имеющие в своем составе таких частиц более 25%, считаются эрозионно-опасными [4]. Следовательно, на каждую агротехническую операцию, которая способствует повышению количества эродирующих частиц в почве, должно быть наложено ограничение. Поэтому следующая группа полевых экспериментов была направле- на на изучение влияния резонансного режима работы рабочих органов на фракционный со- став почвы диаметром менее 25 мм, для чего использовался набор сит диаметром отверстий 10-25 мм, 7-10 мм, 5-7 мм, 3-5 мм, 1-3 мм, 0.5-1 мм, менее 0,5 мм. На почвенном фоне стерня (рисунок 6) результаты опытов говорят в пользу рабочих органов, настроенных на режим автоколебаний, наблюдается хорошее крошение более круп- ных фракций (диаметром 7-25 мм) и прирост процента фракций диаметром 3-7 мм, при этом доля пылевидных фракций (диаметром менее 1 мм) остается практически постоянной. Совсем по другому распределению происходит крошение массы почвы на почвенном фоне - пар (рисунок 7). При приближении к резонансному режиму работы наблюдается рез- кий прирост пылевидных частиц (диаметром менее 1 мм) за счет крошения наиболее благо- приятных с агротехнической точки зрения фракций (5-10 мм). Рисунок 6. Влияние жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа на фракционный состав почвы. Фон стерня: 1 - фракции размером 10-25 мм, 2 - фракции размером 7-10 мм, 3 - фракции размером 5-7 мм, 4 - фракции размером 3-5 мм, 5 - фракции размером 1-3 мм, 6 - фракции размером 0,5-1 мм, 7 - менее 0,5 мм Рисунок 7. Влияние жесткости упругого элемента в креплении рабочего органа на фракционный состав почвы. Фон пар: 1 - фракции размером 10-25 мм, 2 - фракции размером 7-10 мм, 3 - фракции размером 5-7 мм, 4 - фракции размером 3-5 мм, 5 - фракции размером 1- 3 мм, 6 - фракции размером 0,5-1 мм, 7 - менее 0,5 мм Объяснить это можно слабыми диссипативными свойствами почвенного фона, неспо- собными обеспечить снижение амплитуды колебания рабочего органа до приемлемых пре- делов. Основные выводы, которые можно сделать, анализируя представленный материал, сле- дующие: резонансный режим работы наблюдается при жесткости упругого элемента для почвен- ного фона стерня - 120 кН/м, пар - 90 кН/м, что близко к значению жесткости, опреде- ленному теоретическим путем. Наблюдается хорошая сходимость расчетных и экспери- ментальных данных; использование режима автоколебаний рабочих органов позволяет снизить крюковую нагрузку трактора до 17% по сравнению с жестким креплением рабочего органа на поч- венном фоне стерня и до 11% на почвенном фоне пар, что существенно снижает энерге- тические затраты на проведение почвообрабатывающих операций; снижение крюкового усилия трактора обусловлено появлением виброэффекта рабочих органов, а не уменьшением глубины обработки за счет выглубления рабочего органа; в процессе эксперимента установлено, что агротехнические требования, предъявляемые к культивации по устойчивости движения рабочего органа в случае использования резо- нансного режима полностью выполняются; экспериментально подтверждено лучшее ка- чество крошения почвенного пласта; в целом резонансный режим работы, положительно сказываясь на энергетических затра- тах на обработку почвы, существенно влияет на устойчивость почвенного фона к ветро- вой эрозии, особенно сильно это проявляется на почвах, обладающих слабыми диссипа- тивными свойствами. Поэтому при оптимизации упругих связей культиваторного МТА должны учитываться экологические аспекты взаимодействия рабочего органа с почвой с целью сохранения её плодородной структуры.