автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Мобильные энергосредства сельскохозяйственного назначения на шинах сверхнизкого давления

На правах рукописи

ПРЯДКИН Владимир Ильич

МОБИЛЬНЫЕ ЭНЕРГОСРЕДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ШИНАХ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - технология и средства механизации сельского хозяйства

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

З ОКТ 2013

005533877

Москва -2013

005533877

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном оСфазовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ФГБОУ ВПО ВГЛТА)

Научный консультант д-р техн. наук, академик Россельхозакадемии

Измайлов Андрей Юрьевич

Официальные оппоненты: Годжасв Захид Адыгезалович,

д-р техн. наук, проф., Открытое акционерное общество «Федеральный исследовательский испытательный центр машиностроения» (ОАО «ФИИЦМ»), первый зам.ген. директора; Халанский Валентин Михайлович, д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева, проф. кафедры технологий и машин в растениеводстве; Сидоров Владимир Николаевич, д-р техн. наук, проф., Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана-Калужский филиал, зав. кафедрой «Автомобиле- и тракторостроение».

Ведущая организация: Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция (ФГБУ «Поволжская МИС»).

Защита состоится 4 & 2013 г. в С часов на заседании дис-

сертационного совета Д 006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ BUM Россельхозакадемии) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан б>5 _ 2013 г. и размещен на офи-

циальном сайте ВАК РФ в электронной базе диссертаций и авторефератов «£3» Р?- 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г. ведущее место отводится инновационной модернизации отрасли, способствующей ускорению развития отечественного агрокомплекса.

В повышении эффективности сельскохозяйственного производства определяющую роль играет химизация. Высокий её уровень предусматривает широкое применение техники для внесения минеральных удобрений и химических средств защиты растений от болезней и вредителей.

Разнообразием почвенно-климатических условий и сельскохозяйственных культур в России обусловлено, что большой процент работ выполняется на почвах с низкой несущей способностью, которые составляют 11,2 млн га пахотной площади земель в России. Однако применяемые технические средства в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур предназначены для эксплуатации на почвах с высокой несущей способностью, влажностью 20-25%. Особую сложность представляют технологические операции при работе агрегатов в ранний весенний и поздний осенний периоды. В ряде случаев движение машин по полю в это время становится невозможным. Для получения высоких урожаев операции по внесению минеральных удобрений должны производиться в строго заданные агротехнические сроки, согласно микрофазам роста растений, а не тогда, когда сроки упущены и почва имеет низкую влажность. Многие технологические процессы в этот период не выполняются в заданные сроки из-за отсутствия технических средств, обеспечивающих выполнение операции на этих типах почв.

Эффективным путем повышения агротехнической проходимости агрегатов и обеспечения выполнения операций на почвах с низкой несущей способностью является применение мобильных энергетических средств (МЭС), оборудованных шинами сверхнизкого давления. Поэтому исследования, направленные на разработку принципиально новых мобильных средств, совершенствование их ходовых систем, актуаьны и имеют важное народно-хозяйственное значение.

Исследования проходимости МЭС с колесными движителями выполнялись в основном для шин низкого давления, а режимы движения на высокоэластичных движителях с внутренним давлением воздуха 5-40 кПа требуют уточнения ряда положений, в том числе в области взаимодействия колесного движителя с почвен-но-растительным покровом. Разработка единой обобщенной теории движения МЭС, оборудованных экологически безопасным колесным движителем с вышеуказанным давлением воздуха, и экспериментальное подтверждение этой теории позволят обосновать рациональные параметры таких движителей и целесообразность их применения на МЭС при внесении минеральных удобрений и обработке пестицидами возделываемых сельскохозяйственных культур.

Цель работы: научное обоснование разработки мобильных энергетических средств, оборудованных шинами сверхнизкого давления, для реализации агротех-нологий на почвах с низкой несущей способностью.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи исследования:

1. Обосновать эксплуатационные требования, предъявляемые к сельскохозяйственным энегосредствам, предназначенным для эксплуатации на почвах с низкой несущей способностью и растительном покрове.

2. Разработать математическую модель взаимодействия шин сверхнизкого давления с почвенно-растительным покровом, методику выбора рациональных параметров и режимы их работы, обеспечивающие заданные эксплуатационные требования.

3. Разработать математическую модель исследования плавности хода энергосредства на шинах сверхнизкого давления при различном характере возмущающих воздействий. Обосновать параметры ходовой части энергосредства. Провести исследования по оценке плавности хода МЭС, оборудованного средствами химизации.

4. Оценить влияние параметров шин сверхнизкого давления на агротехническую проходимость энергосредства, экологической совместимости с окружающей средой, качество выполняемого технологического процесса, а также плавность хода.

5. Провести расчетно-экспериментальную оценку тягово-сцепных свойств, определить базовые параметры шин сверхнизкого давления и параметры протектора, разработать рекомендации по конструктивному совершенствованию этого класса шин, позволяющие повысить их эксплуатационную эффективность.

6. Разработать МЭС на шинах сверхнизкого давления, предложить технические решения, дающие возможность повысить технологический уровень, провести их производственные испытания и оценить эффективность применения в агротехно-логиях.

7. Усовершенствовать технологию возделывания сельскохозяйственных культур путем применения в комплексе машин МЭС на шинах сверхнизкого давления, про-.вести ее апробацию и технико-экономическую оценку.

Научную новизну исследований представляют:

1. Методология создания МЭС на шинах сверхнизкого давления, отличающаяся системным подходом на основе применения транспортно-технологической концепции, учитывающая свойства опорной поверхности, интенсивность изменения нагрузок со стороны движителя, а также конструктивные особенности в соответствии с основными критериями, определяющими их эксплуатационные свойства в специфических условиях на почвах с низкой несущей способностью.

2. Математическая модель взаимодействия шин сверхнизкого давления с почвенно-растительным покровом, на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом физико-механических характеристик высокоэластичных шин, упруго-пластических свойств почвы и растительного покрова, на базе которой разработана методика, позволяющая выбирать рациональные параметры шин.

3. Математическая модель МЭС для исследования плавности хода и динамической нагруженности при движении по почвенно-растительному покрову, отличающаяся учетом динамических свойств навесного оборудования, упругих свойства почвы, сглаживающей способности шин. Позволяющая выбирать параметров ходовой части и компоновку МЭС, параметры навесного оборудования, режимы эксплуатации на стадии создания, обеспечивающие агротехническую проходимость и плавность хода.

4. Базовые, тяговые и нагрузочные характеристики шин сверхнизкого давления и параметры протектора, аналитические зависимости для их расчета, технические решения по совершенствованию и рекомендации по выбору режимов работы

Объекты исследования: мобильные энергетические средства, оборудованные экологически безопасными колесными движителями на шинах сверхнизкого давления.

Предмет исследования: закономерности функционирования МЭС на шинах сверхнизкого давления при осуществлении технологических процессов на почвах с низкой несущей способностью.

Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования базировались на применении методов системного подхода, численнх методов решения дифференциальных уравнений и методов математического моделирования, теории вероятностей, теоретической механики и оптимального проектирования.

Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях и на лабораторных стендах с использованием современных измерительных средств.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся основные положения, представляющие новизну и практическую ценность.

Достоверность результатов. Адекватность математической модели движения МЭС по агрофонам подтверждена сравнением результатов расчета и натурного эксперимента. Проведенные комплексные экспериментальные исследования МЭС подтвердили основные теоретические положения.

Для оценки достоверности годовой загрузки МЭС при внесении минеральных удобрений и пестицидов производственные испытания проводились в течение 12 сезонов, с 2000 по 2012 гг., в различных регионах России (Воронежской, Тамбовской, Калужской, Липецкой, Орловской, Ростовской, Белгородской областях, а также Ставропольском, Краснодарском и Алтайском краях и Республике Адыгея). Урожайность усовершенствованной ресурсосберегающей технологии оценивалась в течение трех сезонов в двух областях - Воронежской и Белгородской. На первом этапе сравнение с базовой технологией производилось на одном поле, на втором этапе - со средней урожайностью по хозяйству.

Достоверность результатов исследований подтверждена данными производственных испытаний и положительным опытом внедрения усовершенствованной ресурсосберегающей технологии.

Практическая ценность. Математические модели динамики МЭС и программы их расчета позволяющие выбирать рациональные параметры и определять пути их совершенствования. По результатам исследований разработаны МЭС для внесения удобрений и пестицидов, а также средства для доставки удобрений на поля, освоено их производство.

Рекомендации по выбору конструктивно-технологических параметров МЭС, соотношений между параметрами жесткости шипы и подвески, а также параметрами подвесок мостов, сиденья оператора позволяют проводить оценку их эксплуатационных свойств, что дает возможность прогнозировать улучшение показателей функционирования МЭС в специфических условиях.

Базовые характеристики сельскохозяйственных шин сверхнизкого давления, позволяющие на стадии проектирования выбирать их рациональные параметры, обеспечивающие агротехническую проходимость. Применение разработанного протектора и математические зависимости для определения параметров позволяют не только повысить сцепные свойства движителя, но и снизить отрицательное воздействие на почвенно-растительный покров.

Рекомендации по выбору режимов работы и годовой загрузки МЭС, позволяющие рассчитывать рациональные эксплуатационно-технические показатели.

Усовершенствованная технология возделывания сельскохозяйственных культур с использованием в комплексе машин МЭС на шинах сверхнизкого давления, позволяющая снизить влияние почвенно-климатических условий и повысить на

20-30% урожайность выращиваемых культур.

Внедрение результатов исследований, разработок и рекомендаций:

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором, было разработано и под его руководством создано транспортно-технологическое средство ТТС-70 на шинах сверхнизкого давления, разработана конструкторская и технологическая документация. Производство первой партии освоено на Воронежском авиационном заводе, изготовлено 22 ед. ТТС-70.

2. На основе модернизации ТТС-70 автором было разработано и под его руководством создано универсальное технологическое энергетическое средство УТЭС-271, оригинальность внешнего вида средства защищена патентом на промышленный образец. После прохождения сертификационных испытаний производство УТЭС-271 было реализовано на ООО НПФ «Белагроспецмаш» (в настоящее время произведено 26 ед.).

3. Для доставки удобрений на поля под руководством автора создано мобильное энергетическое средство на широкопрофильных шинах низкого давления МЭС-90СХ, оригинальность внешнего вида средства защищена патентом на промышленный образец. После прохождения сертификационных и заводских испытаний для освоения производства материалы и документация по МЭС-90СХ переданы на ООО НПФ «Севэкотранс».

4. Рекомендации по применению совершенствованной технологии внедрены в сельскохозяйственных предприятиях: ООО «ЮНИ» Воронежской обл.; ООО «Русагро-Инвест» Белгородской обл.

5. Результаты экспериментально-теоретических исследований и методики выбора параметров энергетических средств и экологически безопасных колесных движителей используются в учебном процессе на кафедре «Автомобилей и сервиса» Воронежской государственной лесотехнической академии.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на научных конференциях профессорско-преподавательского состава академии и других вузов - на Всероссийской научно-технической конференции «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (Воронеж, 1998 г.); на международных научно-практических конференцях: «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998 г.), «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (Санкт-Петербург, 1999 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж, 1999 г.), на международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Воронеж 2000 г.); на 4-й международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж 2001 г.); на техническом совещании «Транспортно-технологическое средство на шинах сверхнизкого давления как технология XXI века» ГОСНИТИ, (Москва, 2003 г.); на 2-й международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (ВИМ, Москва, 2003 г.); на 3-й международной научно-практической конференции «Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства» (ВИМ, Москва, 2004 г.); на 8-й международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2005 г.); на конференции «Инновационное развитие как доминантное условие модернизации

экономики» (в Российской академии государственной службы при Президенте РФ, Воронеж, 2011 г.); на международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и техника нового поколения - основа модернизации сельского хозяйства» (ВИМ, Москва, 2011 г.); на международной научно-технической конференции «Система технологий и машин для инновационного развития ЛПК России» (ВИМ, Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 61 научная работа, из них-17 в изданиях, рекомендованных ВАК, изданы монография и учебное пособие с грифом У МО, получено 2 патента на промышленный объект, 2 патент на изобретение, 18 патентов на полезную модель и зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов и приложений. Диссертация изложена на 351 странице текста, содержит 169 рисунков, 39 таблиц и список использованных источников - 269 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи, определены новизна и практическая значимость подлежащих изучению вопросов, дана краткая аннотация работы и приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Проблема применения в агротехнологиях энергосредств на шинах сверхнизкого давления» проведен анализ специфических условий эксплуатации средств химизации для внесения минеральных удобрений и пестицидов. Отмечено, что их эксплуатация приходится на агротехнические сроки, когда почва имеет высокую влажность и низкую несущую способность. Ведущими НИИ страны установлено, что несущая способность почвы в этот период не превышает 4050 кПа. Соблюдение агротехнического регламента проведения работ в эти периоды обеспечивается различными техническими средствами: не контактирующими с по-чвенно-растителыюй поверхностью - самолеты, вертолеты и легкие летательные аппараты, контактирующими с поверхностью качения - средства на воздушной подушке и на шинах сверхнизкого давления.

Наземными средствами химизации в России обрабатывается более 80% площадей. Проведенными многолетними исследованиями в ВИМе проф. В.А.Русановым установлено, что обеспечить допустимое по ГОСТ 26955-86 воздействие движителей на почву с низкой несущей способностью наиболее целесообразно использование полевой техники на шинах сверхнизкого давления.

Представленным анализом показана общая характеристика проблемы, повышения эффективности функционирования средств химизации на шинах сверхнизкого давления. Однако в силу своих габаритных размеров, трудоемкости и сложности изготовления и специфических условий эксплуатации шины сверхнизкого давления являются наименее изученным классом шин. Поэтому исследования, направленные на разработку принципиально новых МЭС, совершенствование их ходовых систем, требуют дополнительного рассмотрения.

Анализ работ показал, что в разные периоды развития теории взаимодействия эластичного колеса с деформируемой поверхностью совершенствовались и методики исследований. В области исследования проходимости мобильных машин по почвам с низкой несущей способностью фундаментальными работами являются труды: Л.М.Кононова, В.А.Скотникова, В.Ф.Бабкова, М.Г.Беккера, Г.Б.Безбородовой,

Я.С.Агейкина, В.В.Гуськова, А.Ю.Измайлова, В.И.Кнороза, А.Ф.Полетаева, З.А.Годжаева, Г.С.Горина, В.В.Кацыгина, Н.Ф.Кошарного, И.П.Ксеневича, В.А.Русанова, Н.А.Ульянова и ряда других ученых. Полученные ими данные в настоящее время требуют дальнейшего развития применительно к шинам сверхнизкого давления, контактирующим с почвенно-растительной поверхностью качения.

В опубликованных работах по динамике колесных энсргосредств не прослеживается единого методологического подхода к построению общей модели функционирования средств химизации с монтируемым оборудованием. Однако исследования взаимодействия энергосредства с почвенно-растительной поверхностью целесообразно проводить на основе единой модели функционирования.

Показана целесообразность совершенствования технологий путем применения МЭС нового поколения, снижения себестоимости производимой продукции и повышения ее конкурентоспособности. На основании анализа литературных источников сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Процессы взаимодействия колесных движителей с по-чвенно-растительным покровом» приведена методика выбора рациональных параметров и режимов работы шин сверхнизкого давления применительно к МЭС. С этой целью разработана модель «шина-почва-растение», учитывающая не только процессы взаимодействия движителя с почвой, но и с растительным покровом. Моделирование выполнялось с использованием одной из разновидностей метода конечных элементов (МКЭ), называемой SPH-методом (Smoothed Particle Hybridization Method). Использование МКЭ позволяет наиболее точно описать процесс взаимодействия высокоэластичной шины с почвенно-растительным покровом, описать контактные давления шины на почву, деформации шины при взаимодействии с почвой и растениями, напряжения в различных уровнях почвенных слоев, исследовать сглаживающую способность шины.

При исследовании системы «шина-лочва-растение», колесо моделировалось в виде двух концентрических окружностей с различными упругими свойствами: тонкостенной высокоэластичной оболочкой и металлического обода (рис. 1). Шина представлена тороидальной поверхностью деформируемой от нагрузки, приходящейся на колесо и от внутреннего давления воздуха в шине. Поверхность шины представлена совокупностью из отдельных конечных элементов шарообразной формы, узлы сетки которой способны двигаться.

Расчет сил, действующих в конечных элементах тороидальной поверхности шины, производится следующим образом:

Рис. 1. Конечноэлементная модель колесного движителя и почвы м J=1 *=1

где Fy и FBfJ - силы упругого и вязкого взаимодействия конечных элементов /' и j (жирным шрифтом здесь и ниже выделены векторные величины); - общее количество элементов в модели шины; Fri - силы, действующие на элементы от давления воздуха в шине; Iх -силы, возникающие из-за изгиба поверхности шины.

Вязкоупругая сила F*, действующая на конечный элемент, определяется по формуле:

Р - с-гв-п-ку' (1)

где Я и V - направление и скорость взаимодействия шарообразного элемента с поверхностью шины; с и к - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия; г - величина внедрения элементов при взаимодействии.

Уравнения движения /-го конечного элемента шины описывались следующими дифференциальными уравнениями:

а? 7=1 "+ ;=1 *=1 ;

а? 4 4=1 >

аг 4 /=1 »=1 Л»,

где /яэш - масса элемента шины; ? - время; £ - ускорение свободного падения; кзш - коэффициент заполнения шарами-элементами поверхности шины; ¿/эш - диаметр, конечного элемента шины; Р - давление воздуха в шине; {з[у, в^} - нормальный вектор к поверхности шины в месте нахождения элемента /'; С - нагрузка на колесо; хц, гц - координаты центра колеса; б/д - диаметр диска колеса; Л^ - количество элементов, принадлежащих диску колеса.

Распределение элементов шины производится на тороидальной поверхности:

\х, и-(У, -Уи? + (*, + Фш ~/ш)г

# ^2 «ш

-(Pn-dnffa-xJ +<b-zj)= О,

где X.,у., z и X., у., - - координаты произвольных элементов /' иj; хц, уц, гц - координаты геометрического центра колеса; £>ш и dm - диаметр колеса и толщина шины.

Почва представлялась ансамблем большого количества конечных элементов шарообразной формы, способных взаимодействовать как между собой, так и с поверхностью шины.

Силы, действующие на элементы почвы (рис. 2), определялись следующим образом:

F,.=I(F/+F/), (3)

м

где F*]. и FB.. - силы упругого и вязкого взаимодействия шаров /' и j.

Уравнения движения i-ro элемента почвы описывались следующими дифференциальными уравнениями:

М

1

"ЭП dt2

л1

№

Щ +Гіу Г

где тятт - масса конечного элемента почвы.

Рис. 2. Вязкоупругое взаимодействие двух частиц почвы

Привнесении пестицидов движение агрегата происходит по ранним всходам., поэтому при моделировании процесса взаимодействия движителя с поверхностью качения учитывали его воздействие на растительный покров. Растительный покров представлялся из стеблей растений, способных к изгибу и излому. Каждый стебель разбивался •на шарообразные элементы, взаимодействие которых носит вязкоунругий характер.

Силы, действующие на элементы стебля со стороны колесного движителя, определяли по выражению:

(5)

7=1

где и - силы упругого и вязкого взаимодействия элементов /' и у; Iм - сила, возникающая вследствие изгиба стебля; Ыэ - общее количество элементов в модели стебля.

Уравнения движения ьго элемента, описывающего эволюцию стебля растения с течением времени (рис. 3), имеют вид:

У чіууу

/ 1_ гЯ VіУ

а б в

тЭР сІгхі ае ¿Ид п XI] XI / •

тэр ЛгУі Л2 Ґ У ~ ¿—! \ УЧ М уч у /;

Рис. 3. Моделирование растительного покрова: а — стебель растения в виде отдельных гиарообразных элементов; б - схема для расчета упругих сил при деформации элементов стебля; в -схема для расчета возвращающих сил при изгибе стебля

(6)

Л-

где 7иэр - масса конечного элемента стебля растения.

Решение дифференциальных уравнений модели «шина-почва-растение» производили с использованием метода Эйлера-Коши.

На первом этапе выбора параметров колесного движителя для МЭС проводилась их оптимизация по критериям: контактного давления q ; силе сопротивления качению Гтші массе шины тш. Решалась задача:

• Fm(ршmin; при GK= const и¿>w= conrf,

Оптимизация проводилась на основе численного эксперимента с разработанной моделью шины. Полученные графические изображения поверхности отклика представлены с помощью линий уровня на рис. 4.

а) б) в) г)

Рис. 4. Благоприятные области факторного пространства: а) - при минимальном контактном давлении; б) - при минимальной силе сопротивления качению; в) - при минимальной массе шины; г) ~ оптимальная область параметров шины

Оптимальная область при минимальном давлении, силе сопротивления качению и массе шины соответствует диапазону в пятне контакта изменения диаметра шины Ош от 1,2 до 1,5 м и ширины Вш от 550 до 700 мм (рис. 4 г).

Моделированием давлений в пятне контакта шин сверхнизкого давления с, почвой установлено, что при нагрузке 2,5 кН продольные эшоры распределения давления имеют седловидную форму (рис. 5). Наличие мембранного эффекта в продольной плоскости пятна контакта свидетельствует о том, что давление шины меньше несущей способности почвы. Снижение давления воздуха в шине с 25 до 10 кПа позволяет снизить максимальные давления на почву с 31 до 15 кПа.

Рис. 5. Расчетные значения распределение давления в пятне контакта шины при нагрузке 2,45 кН: а - продольные; б - поперечные; 1 = 10 кПа; = 15 кПа; 3-Р^ = 25 кПа

При нагрузке 4,41 кН продольные эпюры по форме близки к трапеции (рис. 6). При данной нагрузке условие по обеспечению агротехнической проходимости соблюдается при давлении воздуха в шине не более 40 кПа, а при давлениях воздуха в шине 50-60 кПа максимальные контактные давления превышают верхний порог несущей способности почвы. Агротехническая проходимость, при соблюдении экологической совместимости, для МЭС обеспечивается при нагрузке на колесо

2,5 кН, а при нагрузке 4,41 кН - при давлениях воздуха 10-40 кПа.

Моделированием напряжений в почвенном массиве установлено, что напряжения от катящегося колеса распространяются до глубины 500 мм. Наибольшая концентрация напряжений имеет место в пахотном слое почвы 0-250 мм, затухание

0,4 L, м

0,4 В, м

Рис. 6. Расчетные значения эпюр распределения давлений в пятне контакта шины при ■нагрузке 4,41 кН: а - продольные; б - поперечные; 1 - Р = 10 кПа; 2 - Р = 20 кПа; 3 -Р = 30 кПа; 4-Р^ = 40 кПа; 5-Р =50 кПа; 6-Р =60 кПа

напряжений в этом слое достигает 60%.

С целью повышения сцепных качеств и соблюдения требований по экологической совместимости с почвенно-растительным покровом для шин сверхнизкого давления был разработан протектор (рис. 7, патент №2399499).

ЕШ«/'

Vl

К

Рис. 7. Протектор шины сверхнизкого давления

С учетом параметров протектора выражение для определения коэффициента сцепления шины имеет вид:

Фк =

ks(Pw)

2CyK-Ln{Pw)+q (PW)K{PW)-

(pw) t л. , cos 50° +1 igy, 0,15-+

Ln(Pw) 0,33

0,33

(7)

где ks(PJ - коэффициент эффективности площади контакта шины; h ,1 ,т - высота, ширина и шаг почвозацепов; q - давление шины на почву; у/ - угол внутреннего трения грунта в зоне поверхности скольжения; у - угол наклона почвозацепов; Ъ0 - общая ширина контакта; L - длина контакта; Су - удельная сила сцепления; цг - коэффициент трения резины о поверхность качения.

Для расчета параметров протектора шин сверхнизкого давления с учетом выражения (7) разработана номограмма (рис. 8). Применение протектора позволило реализовать коэффициент сцепления, равный 0,665.

Моделированием процесса взаимодействия колесного движителя с растительным покровом установлено, что при нагрузках на колесо 2,5 кН излома стеблей не происходит, а имеет место их полегание (рис. 9). Установлено, что в диапазоне Р давлений в шине 15-25 кПа степень полеглости растений высотой h = 150 мм вы-

Рис. 8. Номограмма для расчета параметров протектора шин: И - высота почво-зацепов; кП — коэффициент насыщенности протектора; р — показатель запрессовки почвы

ше, чем растений высотой /гк = 400 мм, на 5-8% (рис. 10). На полегаость существенное влияние оказывает не только нагрузка на колесо, но и давление воздуха в шинах. Наибольший уровень по-

леглости достигает 64% при давлении 30 кПа.

ШШШ 15du ІШШ!

тяі

Лропгомгас

I

После проход*

,33%,,ох

.....47 ...57 %

..^57 %....

»«• штшш шш §йи ШтЖ

шшш т^л

Рис. 9. Этапы взаимодействия колеса с рядом растений и процент полеглости при различном давлении воздуха в шине и высоте растений 150мм

N,,/JVfc.-60 -ю 20 0

Ак-150мм

AK=400t U- — •

/У /

5 10 15 20 25 30 ?„,«Па

Рис. 10. Доля полеглых растений после воздействия колесного движителя при их высоте 150 и 400 мм

Сглаживающую способность шины сверхнизкого давления в зависимости от скорости движения оценивали по изменению амплитуды колебаний оси колеса при движении по неровностям (рис. 11). Установлено, что при движении по гармоническим неровностям высотой h = 150 мм и давлении воздуха в шине 30 кПа имеет место увеличение амплитуды колебаний, при дальнейшем повышении скорости уровень колебаний амплитуды снижается. Аналогичная зависимость наблюдается при движении по неровности высотой 75 мм и давлении воздуха в шине 15 кПа, но

■«•і

Рис. 11. Влияние скорости движения колеса на амплитуду колебаний оси при движении по гармоническим неровностям с периодом Ь. = 350 мм

Рис. 12. Зависимость амплитуды колебаний оси колеса при движении со скоростью 20 км/ч по гармоническим неровностям при различном давлении воздуха в шине

при движении по неровностям высотой 150 мм и давлении 15 кПа рост амплитуды колебаний происходит практически пропорционально скорости движения. Зона с минимальной амплитудой колебаний оси колеса приведена на рис. 12.

В третьей главе «Математическое моделирование динамики энергосредств на шинах сверхнизкого давления» рассмотрены общие методологические подходы к выбору параметров МЭС и разработке математической модели его функционирования, приведены результаты аналитических исследований.

Методология выбора параметров МЭС базируется транспортно-технологиче-ской концепции и на системном подходе включающем три подсистемы: конструктивные составляющие, эксплуатационные свойства и внешние воздействия, что обеспечивает максимальное соответствие конструкции специфическим условиям эксплуатации и требованиям, вытекающим из данных условий.

Разработанная модель МЭС состоит из подсистем, «двигатель - трансмиссия - МЭС», подсистемы, моделирующей пространственные колебания агрегата и блоков, формирования крутящего момента двигателя, момента сопротивления агрегата и технологических показателей. Модель составлена с учетом общепринятых допущений.

Математическая модель энергосредства с учетом динамической модели (рис. 13) имеет вид:

ЛФ2 = С,.2(ф. -1Ч>2)+ -^1,2(ф1 -1Ч>2)-(ф2 -Ф3)-(ф2-Ф,)

•^Фз = Сад(<Р2 -фз)+^2.з[ф2-фз)-с,.5(фз "9з)-(фз~9з

ЛФд = С2,<(ф2 -<р4)+ К2_^Фг-Ф«)-^,5(94 -95)-^4,5[94-ф5];

•Лф5 =С35(ф3 -ф5)+^3,5^93-95^ + ^4,5 (94 Ф5 )+ ^4.5 (ф^'" ф, ) ~ МС ,

Мс2° =ЁЁСЯ» 2о±/,а±0,55р-^ [г0±/>.а±0,5ДЭ-^1

<-1 1-1 V ^ ) м )-\ \ ) ;

Зх Р = Сщ\ г*± /, а± 0,55 р ) + ± /, а± 0,55 р -

1-11-1 V ) /-17-1 V у;

• •• и л / \ я я / ♦ ■ \

= рЕЕ*«» р

м 1-1 V ) (-1 1-х \ )

+ ЁЁС1» 20±/,а±О,55р-^ +¿¿^ ¿»±/,(¿±0,5513-4,

М 1-1 \ ) 1-1 ]-\

тс2с =Сс(гс-20+//а)+А-с^с-го+/(а). (8)

где I, - момент инерции маховика, эквивалентного движущимся массам двигателя; 12 - момент масс трансмиссии; I,, ^ - соответственно, моменты инерции ведущих колес переднего и заднего ведущих мостов средства; ,Г5 - момент инерции маховика,

эквивалентного поступательно движущейся массе средства; (р1,<р1,<р1 -углы поворота, скорости и ускорения соответствующих масс; С12,К12 - соответственно, коэффициент крутильной жесткости и демпфирования валов коробки передач и карданной передачи; С,3, С,4, К2,, К24 - соответственно, коэффициенты крутильной жесткости и демпфирования полуосей ведущих мостов; С35, С45, К3 5, К4 5 - соответственно, коэффициенты жесткости и демпфирования шин в тангенциальном направлении; Мл, Мс - соответственно, крутящий момент двигателя и приведенный к первичному валу коробки передач момент сопротивления средства; Мс, 1П , ш - соответственно, масса остова средства, неподрессоренные массы подвески и сиденья; .1о, - соответственно, моменты средства относительно продольной и поперечной осей; СПц) Сши, Кт., Кш;. - соответственно, коэффициенты жесткости и демпфирования подвески и шин; - высота неровности под соответствующим колесом; С. - линейные перемещения неподрессоренных масс.

Рис. 13. Пространственная динамическая модель МЭС", оборудованного разбрасывателем удобрений

Блок модели, описывающий колебания МЭС, оборудованного опрыскивателем, с учетом динамической системы (рис. 14) имеет вид:

ы у-1 ч ) /-1 V /

+ С/п. [20 - + р )]+ ^

¿жЪ =

го-^+^р

[г о - Р )]+*« 2 о - ^ Р ];

р = ± а ± 0,5 Д р - ^ ^ ^ + 0,5^2 (^¿0 ± ± 0,55 Р-4 -с„„[г„ -(г, + 5,р)}51 р) с„г1 [г0 - (г2 - р )]■ ^ + кни

=сЯ1,[г0 - (г, +5,р)]+а:й тш ¿2 = спи [г. - (г, - р)]+ к„

т,

1-1 7-1 V ) (-1 1-1 ч

+ сщ\г»±.I, а± 0,5В р-§„ + ^(¿о± /, а± 0,55 М А

'-1 7-1 V ) (-1 7-1 V )

где тт, тт - соответственно, масса левой и правой штанги опрыскивателя; С/Л1, СШ1, Ст2, Ст1 - соответственно, жесткости навесного оборудования в вертикальном и поперечном направлениях; Кнп, Кт1, К^ К^ - соответственно, коэффициенты демпфирования навесного оборудования в вертикальном и поперечном направлениях; ^, 82 - координаты центров масс штанг опрыскивателя.

11 шо

г

Г / \

0 /м.

777ТТТ7Т77Т7Т

СП13

т13

Сш13 ■7-7-7-7-Т

Ч13 _

-- Кп.13 Кг)23- 5 т_5

КШ13 КШ23

С „23 О, ГТ123

С Ш23

4 23

Рис. 14. Динамическая модель МЭС, оборудованного штанговым опрыскивателем

Воздействие гармонических неровностей под колесами энергосредства описывались с учетом их сглаживающей способности: q^í=qaKhsш2nVtl,ЛISy,

Яг, =ЧоКн 8ш2ТСГ?л - 2л - а-1/ (9)

Чи = ?0кк яш2кУ1п-2к-(а + Ь)-1/5у,

где <70- высота неровности; Кк - коэффициент, учитывающий снижение высоты неровности (для шин сверхнизкого давления равен 0,6-0,85); а,Ь - межосевое расстояние соответственно между передним и средним и средним и задним мостами; Бу- • К5- длина условной неровности, описываемой осью колеса (50- длина неровности, К5 - коэффициент, учитывающий увеличение длины условной неровности, для шин сверхнизкого давления равен 2,5-7,0).

Воздействия неровностей, отражающих вероятностную связь между координатами поверхности качения по длине участка пути, задавались корреляционной функцией:

»

где сс1,аг,(31,А1,Аг - коэффициенты.

Для обеспечения агротехнической проходимости МЭС по почве с низкой несущей способностью должно удовлетворяться условие:

Чи <

где дк. - текущее значение контактного давления колесного движителя на почву;

~ допустимое давление по несущей способности почвы.

Мгновенная величина давления колесного движителя на почву определялась по выражению:

где Ми - нормальная реакция почвы; - мгновенная величина площади контакта движителя с почвой.

Нормальная реакция почвы определялась в рамках стержневой модели опорной поверхности (рис. 15):

^ (Ч - \/(*1 - ■* о У + (?< ~2 «У )'" (го ~ ■г<) ^ ¿г0

" I * «VI Ч/ \ | V/ I \ и I / л т .=С<2?-» . , ;--(10>

где Л^.- результирующая нормальная реакция со стороны опорной поверхности; / - индекс стержня, кон-тактирующего с колесом; N - количество стержней, контактирующих с колесом; (д-0, г0) - координаты центра колеса; (х,, г,) - координаты ;'-го стержня; Сс,Кс - соответственно, жесткость и коэффициент демпфирование контакта стержня с колесом; г1 - расстояние между стержнем и центром колеса; Як - радиус колеса.

Для решения системы использовался численный метод интегрирования Рунге-Кутта. На базе разработанной / е.! \ математической модели МЭС и программе для ее реализа-

/ о 'у \ ции были проведены исследования по определению агро-I I технической проходимости и плавности хода.

\ / При определении агротехнической проходимости МЭС

оо^50, \ за базовые параметры приняты контактные давления ко-

• ч— лесного движителя на поверхность качения. Построенные

Рис.. 15. Схема сил. дей- эпюры давлений МЭС, в загруженном состоянии при дав-ствующих па колесо со лении воздуха в шинах 20 кПа, показали, что максималь-с.тороны опорной по- ные контактные давления колес на почву не превышают верхности нижнего порога ее несущей способности (рис. 16).

Это свидетельствует, что МЭС обладают высокой проходимостью. Изменение давления воздуха в шинах агрегата необходимо контролировать и поддерживать в заданных пределах. Проведенные расчеты показали, что повышение давления воздуха оказывает существенное влияние на увеличение вероятности превышения заданного порога контактного давления. Так, при давлении воздуха в шине до 20 кПа вероятность превышения заданного уровня контактных давлений движителем для почв с низкой несущей способностью не превышает 0,1, а при давлении 45 кПа и более вероятность равна 1, то есть имеет место полное превышение контактных давлений движителем величины несущей способности почвы (рис. 17).

В связи с возросшими технологическими скоростями для обеспечения нормированных показателей плавности хода параметры подвесок должны быть согласованы с параметрами шин сверхнизкого давления.

Исследование влияния соотношения жесткости шины и жесткости подвески Сш/Сп па колебательные процессы агрегата показали, что при отсутствии упругого элемента в подвеске массы агрегата, приходящиеся на передние колеса, испытывают значительные

Рис. 16 Расчетные эпюры давления шин сверхнизкого давления МЭС на почву, в неподвижном состоянии

0,8 0,60,40,2

0,00 10 20 30 40 Лг.кПа

Рис. 17Зависимость изменения вероятности превышения заданного порога контактного давления колесного движителя на почву от давления воздуха в шине

ускорения при движении по неровностям. Применение подвески позволяет более чем в 3 раза снизить уровень колебаний подрессоренных масс. При скорости движения до 20 км/ч соотношение жесткостей Сш/Сп практически не оказывает влияния на изменение колебаний подрессоренных масс. При скорости движения свыше 20 км/ч уровень колебаний подрессоренных масс снижается с увеличением соотношения С./С (рис. 18).

Характер изменения ускорений неподрессоренных и подрессоренных масс переднего моста при соотношении Сш/Сп = 1,64 от скорости движения по случайному профилю показывает, что с увеличение скорости движения пропорционально возрастают ускорения неподрессоренных масс. При скорости движения до 20 км/ч подвеска не оказывает существенного влияния на вибронагруженность подрессоренных масс, поэтому на тихоходных средствах, оборудованных шинами сверхнизкого давления, не целесообразно вводить подрессоривапие (рис. 19). Эффективность применения подвески совместно с шинами сверхнизкого давления наиболее ярко проявляется в диапазоне скоростей от 20 до 40 км/ч.

V, км/ч

Рис. 18. Влияние скорости движения агрегата на изменение ускорений подрессоренных масс переднего моста: 1 - без упругого элемента в подвеске; 2 - Ст/Сп = 1,5; 3 -С /С = 3,0; 4-С /С = 6,0

50 у, *м/ч

Рис. 19. Зависимость вертикальных ускорений от скорости движения в груженом состоянии по случайному профилю: 1 -ускорения на оси колеса; 2 - ускорения подрессоренных масс переднего моста

Для реализации высоких скоростей движения МЭС наиболее эффективным диапазоном отношения являются значения Сш/Сп = 1,5-6,0. Малые значения дают существенный эффект при работе с опрыскивателем при движение по ранним всходам и низком давлении воздуха в шинах. Большие значения соответствуют работе

МЭС с разбрасывателем при полной загрузке бункера минеральными удобрениями и установке шин большей грузоподъемности.

Реализация повышенных скоростей движения ограничивается также уровнем колебаний на сиденье оператора. Установлено, что при скоростях движения 1520 км/ч имеет место резонансный всплеск среднеквадратических ускорений на сиденье оператора при движении по пахоте и стерне. Далее уровень колебаний снижается, но с увеличением скорости движения свыше 30 км/ч колебания возрастают (рис. 20). Однако как при движении по пахоте, так и при движении по стерне уровень среднеквадратических колебаний на сиденье оператора не превышает границу комфорта, соответствующую 0,25 g. Теоретические исследования показали, что при движении в диапазоне рабочих скоростей 10-45 км/ч применение специального подрессоривания сиденья для МЭС, оборудованных шинами сверхнизкого давления и независимой подвеской, не требуется.

Реализация высоких скоростей движения при внесении пестицидов имеет дополнительные ограничения по уровню колебаний штанг опрыскивателя. Проведенными исследованими влияния скорости движения на амплитуду колебаний на концах штанг опрыскивателя при движении со скоростью 10 и 35 км/ч установлено, что имеют место резонансные всплески амплитуд колебаний, величина которых не превышает 200 мм (рис. 21). Эти данные свидетельствуют о том, что при движении по равнинной местности касания штангой поверхности качения не будет происходить.

,m/Cj 1,0 0,8 0,6 0,40,2 0,0

Стерня, А = 35 мм

А1:р. мм

10 20 30 40 50 V, км/ч

Рис. 20. Зависимость средних квадратиче-ских вертикальных ускорений на сиденье оператора от скорости движения по случайному профилю

Рис. 21. Зависимость средней амплитуды колебаний на концах штанг опрыскивателя от скорости движения агрегата

Проведенные исследования подтвердили адекватность разработанной математической модели. Расхождения результатов исследований находятся в пределах 7-11%.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования характеристик шин сверхнизкого давления, их воздействия на поверхность качения» приведены результаты экспериментальных исследований аналогов інші сверхнизкого давления, различного исполнения.

На рис. 22 и 23 приведены нагрузочные характеристики шин.

По нагрузочным характеристикам установлено, что максимально допустимый относительный радиальный прогиб при рабочих режимах эксплуатации МЭС для шины-оболочки ОШ-1 составляет 29%, а шины 1300x600-533 с протектором «косая елка» - 20,8%.

Уравнения регрессии для определения нормальной деформаций шин равны:

Ъг = 0,0186 + 0,16043-

-для шин 1300x530-533 ОШ-1;

!і2 =13,047 +0,547--7-Ь - для шин 1300x600-533 протектор «косая елка».

,2 С.З О.А 0.Ї »5 0.; 0.8

Рис. 22. Зависимость относительного радиального прогиба шины-оболочки ОШ-1 от нагрузки: 1 - Р^ = 23,2 кПа; 2 ~ Р^ ^ 20 кПа; 3-Р„ = 15кПа: 4 -Р^ = 10 кПа; 5-Р = 5 кПа

Рис. 23. Зависимость относительного радиального прогиба шины 1300*600-533 от нагрузки: 1-Р„=* 10 кПа; 2-Р„ = 20 кПа; 3 - Р^ = 30 к Па; 4 - = 40 кПа; 5 -Р„ = 50 кПа; 6-Р = 60 кПа"

Результаты упругих характеристик шин показали, что шина-оболочка ОШ-1 обладает большей эластичностью, чем шина 1300x600-533. Шина-оболочка имеет в 4,7 раза меньшую радиальную жесткость, чем шины 1300x600-533, и в 3 раза меньшую радиальную жесткость при одинаковом давлении воздуха 20 кПа.

Определение контактного давления шин ОШ-1 и 1300x600-533 с протектором «косая елка» в пятне контакта проводили на твердой опорной поверхности и в почвенном канале с применением тензомстрических датчиков. Установлено, что номинальная и допустимая величины площадей контакта шины ОШ-1 в зависимости от относительного прогиба 29 и 35% составляют 1444 и 1657 см2, соответственно. Давление воздуха в шине при допустимой площади контакта соответствует 12,2 кПа, при номинальной - 15 кПа,.

Продольные эпюры давлений шин на почву приведены на рис. 24. Эпюры шины ОШ-1 имеют вид перавнобоких трапеций с сегментной шапкой. При снижении давления воздуха в шине-оболочке с 20 до 5 кПа длина опорной поверхности увеличивается. Для давлений воздуха в диапазоне 20-10 кПа эпюры имеют оптимальную форму с большой площадью перавнобоких трапеций и минимальным коэффициентом неравномерности, равным 1,15.

Испытания по определению эпюр давлений шины 1300x600-533 с протектором «косая елка» показали, что при внутришинных давлениях 60, 50 и 40 кПа продольные эпюры имеют параболическую форму, а при давлениях 30,20 и 10 кПа эпюры принимают форму криволинейной трапеции.

Рис.. 24. Продольные эпюры давлений шипы ОШ-1 при радиальной нагрузке О = 2,5 кН и давлении воздуха соответственно: а) - 20 кПа; б) - 15 кПа; в) - 10 кПа

При переходе формы эпюры от параболической к криволинейной трапеции шина реализует максимальный тяговый КПД, равный 0,96. Эпюра имеет оптимальную форму, минимальный коэффициент неравномерности £ =1,47, при давления воздуха 30 кПа.

В сравнении с шиной 1300x600-533 при давлении воздуха 20 кПа шина-оболочка ОШ-1 имеет меньшее в 2,1 раза максимальное давление и в 1,7 раза меньшее среднее давление и меньший на 19% коэффициент неравномерности распределения давлений. По удельной грузоподъемности при оптимальном внутришинном давлении шина-оболочка превосходит шину 1300x600-533 на 31%.

В результате проведенных тяговых испытаний шин сверхнизкого давления с постоянной нагрузкой и при различном давлении воздуха установлено, что минимальная сила сопротивления качению для шины ОШ-1 достигается при давлении 15 кПа, а для шины 1300x600-533 при давлении 30 кПа.

По реализации минимальной силы сопротивления качению обе шины имеют практически одинаковые значения: для шины-оболочки - 0,151 кН, для шины 1300x600-533 -0,149 кН.

По результатам тяговых испытаний на мягком грунте установлено, что шина ОШ-1 имеет КПД, равный 0,78, при полном отсутствии протектора. Шина 1300x600-533 с разработанным протектором повышенной проходимости, типа «косая елка», имеет КПД, равный 0,89. Из-за отсутствия протектора, обусловленного требованием к неповреждаемости (рис. 25) ранних всходов, на МЭС устанавливают эти шины при внесении пестицидов.

Сглаживающая способность шин сверхнизкого давления проявляется в большей степени, чем у других типов шин. Параметры экспериментально полученных траекторий осей колес при переезде единичных неровностей показали, что высота подъема оси меньше высоты неровности па 13-40%, а горизонтальная координата оси траектории превышает длину неровности в 2,5-7 раз.

Из условий допустимого прогиба минимуму энергозатрат па качение шин и коэффициента неравномерности распределения контактного давления соответствуют оптимальное давление воздуха в шине ОШ-1, равное 15 кПа, а в шине 1300x600-533 с рисунком протектора «косая елка» - 30 кПа (табл.).

Рис. 25. Характеристики ишны 1300*600-533 с протектором «косая елка», фон - поле под посев, 0= 5,47 кН; Р_ = ЗОкПа: а -- базовая характеристика: б-тяговая характеристика

Таблица. Рациональные параметры інші сверхнизкого давления

Марка шины О, кН кПа а , кПа а , кПа С — ,кН/кПа Чшх

1300x530-533 ОШ-1 2,45 15 19,7 17,1 1,15 0,12

1300x530-533 «косая елка» 4,41 30 53,3 36,4 1,47 0,082

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических расчетов. Полученные характеристики позволяют выбирать параметры шин сверхнизкого давления, обеспечивающих агротехническую проходимость МЭС на стадии проектирования, с учетом их конструктивных особенностей.

В пятой главе «Экспериментальные исследования мобильных энергосредств па шипах сверхнизкого давления» приведены результаты экспериментальных исследований плавности хода, эксплуатационно-технических показателей, экологической совместимости с окружающей средой и результаты производственных испытаний. Также определены исходные данные для математических моделей.

Оценка плавности хода

Испытания проводили для двух вариантов исполнения ходовой части. Первым вариантом была предусмотрена равная жесткость подвесок среднего и заднего мостов, но меньшая жесткость подвески переднего моста. Вторым вариантом предусмотрена равная жесткость подвесок переднего и заднего мостов, но меньшая жесткость подвески среднего моста. Экспериментальная оценка влияния жестко-

стей подвесок трехосного средства показала, что снижение жесткости подвески переднего моста относительно жесткости подвески среднего и заднего мостов приводит к увеличению вибронагруженностн остова при преодолении единичной неровности. С увеличением скорости движения происходит уменьшение разницы в вибронагруженности подрессоренных масс переднего моста с 29 до 13% .

Проведенными полевыми испытаниями установлено, что с увеличением скорости движения уровень ускорений на оси колеса возрастает с 2 до 7,5 м/с2, при этом спектр собственных частот &> смещается в сторону более высоких - с 4 до 8 Гц, спектры ускорений становятся более пологими и имеют тенденцию к сдвигу в сторону высоких частот, что обусловлено влиянием неподрессорснных масс. При Этом вибронагруженность подрессоренных масс при изменении скорости с 10 до 40 км/ч возросла в 2,5 раза и достигла 0,07 g, однако на оси колеса вибронагруженность в данном скоростном диапазоне возросла в 5,6 раза и достигла 0,76 g (рис. 26).

Экспериментальные исследования подтвердили правильность теорети-; ческих исследований о целесообраз-

/ ности схемы подрессоривания трех-

/ осного средства по второму варианту.

С повышением скорости движения возрастает влияние неподрессорен-i / ных масс на уровень колебаний осто-

i / ; : ва, поэтому на МЭС, оборудованных

= s : шинами сверхнизкого давления, не-

обходимо применение подвески для « <•• * '-'■:: обеспечения требуемого уровня плав-

Рис. 26. Максимальные виброускорения под- ности хода.

вески: 1 - виброускорения на переднем мо- Результаты испытаний по оценке сту; 2 - виброускорения на оси колеса колебаний на сиденье оператора при-

ведены на рис. 27-28. Исследования проводили при отсутствии подрессоривания сиденья оператора. Уровень колебаний на сиденье оператора при движении по единичным неровностям высотой 150 мм и длиной 700 мм показал, что на резонансной частоте в октавной полосе 2 Гц амплитуды колебаний достигают максимальных значений. С повышением скорости движения спектры ускорений становятся более пологими и имеют тенденцию к увеличению в сторону высоких частот. Установлено, что с увеличением скорости движения с 2,78 до 11,1 м/с максимальные значения амплитуд колебаний возрастают в 3,1 раза. Испытания при движении по грунтовой дороге показали, что наиболее резкое возрастание вертикальных ускорений на сиденье оператора проявляется на октавной частоте 1 Гц, при этом уровень колебаний удовлетворяет нормативным показателям.

Экспериментально подтверждено, что при оборудовании МЭС шинами сверхнизкого давления дополнительное подрессоривание сиденья оператора не требуется. Определение эксплуатационно-технических показателей Проведенными испытаниями установлено, что МЭС имеет рабочую скорость 29,6 км/ч. Показатели качества удовлетворяют агротребованиям при работе агрегата на повышенных рабочих скоростях. Неравномерность внесения удобрений при скорости движения 29,6 км/ч по рабочей ширине не превышала 19,2%, а по ходу движения 7,9%, что соответствует нормативным показателям.

Рис. 27. Уровень колебаний на сиденье оператора при движении по единичной неровности высотой 150 мм: 1 - 10 км/ч; 2-20 км/ч; 3-30 км/ч; 4-40 км/ч

V......»Л

Рис. 28. Уровень колебаний на сиденье оператора при движении по грунтовой дороге: 1 - колебания на сиденье: 2 - нормативные значения вертикальных колебаний на сиденье

Определение воздействия движителя на почвенно-растительный покров и окружающую среду

При движении по почве воздействие движителя МЭС практически не влияет на ее агрофизические свойства, внешний вид следа движения указывает на полное отсутствие формирования колеи. Установлено, что воздействие колесного движителя на почву незначительно изменяет ее физическое состояние. Даже после 10-кратного прохода по одному следу объемная плотность почвы увеличилась в слое 0-5 смс 1,02 до 1,12 г/см3, в слое 5-10 см-с 1,12 до 1,17, в слое 10-15 см - с 1,16 до 1,21 г/см3, т.е. соответственно по слоям на 0,1, 0,05 и 0,05 г/см3.

Воздействия ходового аппарата на растения, находящиеся в фазе кущения, показали, что после первого прохода они слегка прикатаны, но не повреждены. Даже после 10-го прохода по растениям и одному следу растения восстановились и полностью вызрели. Через 10-12 дней после прохода колесного движителя следов на поле не было видно, растения полностью восстанавливались в росте.

МЭС удовлетворяют требованиям, предъявляемым к экологически безопасным средствам, по совместимости с окружающей средой и, в частности, по воздействию колесного движителя на почву, растительный покров, а также по уровню внешнего шума и отсутствию каплепадения от узлов трансмиссии и гидросистем.

Производственные испытания МЭС

Полученные результаты лабораторных и полевых испытаний энергосредств на экологически безопасных колесных движителях были проверены в производственных условиях рядовой эксплуатации применительно к различным почвен-но-климатическим зонам России. Испытания первой партии МЭС из двадцати агрегатов на базе ТТС-70 проводили в течение семи сезонов (с 1999 по 2005 гг.) на полях Воронежской, Белгородской, Тамбовской, Калужской, Оренбургской областей, Алтайского и Ставропольского краев. В результате было установлено: колёсный движитель на шинах сверхнизкого давления обеспечивает давление на почву меньшее, чем ее несущая способность, что обеспечивает агрегату не только высокую агротехническую проходимость, но и способность обрабатывать сельскохозяйственные культуры на влажной почве с низкой несущей способностью, практически не повреждая их. Сочетание высокоэластичного колёсного движите-

ля, обладающего большой поглощающей способностью, с независимой подвеской обеспечивает хорошую плавность хода агрегату, что позволяет реализовать высокую рабочую скорость.

Испытания УТЭС-271 и их модификаций проводились в течение шести сезонов (с 2006 по 2011 гг.) на полях Воронежской, Белгородской, Орловской, Ростовекой, Липецкой областей, в Республике Адыгея, Краснодарском крае. Установлено, что сменная наработка определяется не только технической характеристикой МЭС, но также существенно зависит от технического обеспечения процесса загрузки и организации доставки удобрений на поля. Сменная производительность при внесении минеральных удобрений, с учетом вышеназванных факторов, составила 200-240 га. В отдельных случаях при химической обработке полей и 12-часовом рабочем дне производительность достигала рекордных показателей — 500 га и выше.

Результаты производственных испытаний показали, что годовая наработка МЭС при внесении минеральных удобрений составила 5000-7500 га, при внесении пестицидов - 6000-8000 га.

В шестой главе «Технологическая применяемость мобильных энергосредств на шинах сверхнизкого давления» приведена технологическая применяемость МЭС на шинах сверхнизкого давления в агротехнологиях растениеводства.

Для эффективного использования в агротехнологиях МЭС усовершенствована технология (патент № 2467546). Характерной особенностью усовершенствованной технологии является включение в технологическую карту МЭС на шинах сверхнизкого давления.

Согласно усовершенствованной технологии, химическая обработка проводится до всходов, что позволяет уничтожить сорняки и не угнетать рост культурных растений. Высокая эффективность химической обработки достигалась применением малообъемного опрыскивателя с расходом рабочей жидкости 20-60 л/га. Увядшие сорняки покрывают почву, что позволяет защитить междурядье от прямых солнечных лучей и, как следствие, снизить испарение влаги и растрескивание почвы, а также предотвратить рост второй волны сорняков.

Реализация усовершенствованной технологии оказалась возможной лишь при применении МЭС, оборудованного шинами сверхнизкого давления. Усовершенствованная технология ориентирована в первую очередь на ресурсные возможности крестьянско-фермерских хозяйств, их ограниченные финансовые средства и техническое обеспечение.

Основными преимуществами усовершенствованной технологии являются: повышение урожайности, а также конкурентоспособности и качества продукции; уменьшение влияния погодных условии на урожайность; снижение материальных и финансовых затрат. Данная технология применима для подсолнечника, сои, кукурузы и других культур, а также для регионов степной, сухостепной и лесостепной зон на всех типах почв с различным гранулометрическим составом.

С целью повышения эффективности использования МЭС разработан к нему комплекс машин, обеспечивающий годовую загрузку 868 ч.

В седьмой главе «Техническая реализация и внедрение результатов исследований» приведена техническая реализация результатов исследований.

Полученные результаты исследований и производственных испытаний подтвердили правильность выбора транспортно-технологнческой концепции для создания МЭС, обеспечивающих давление колесных движителей на поверхность качения, удовлетворяющее требованиям ГОСТ 26955-86. Базируюсь на результа-

тах исследований, разработаны конкретные рекомендации по совершенствованию конструкции МЭС, которые легли в основу создания образцов машин мелкосерийного производства - ТТС-70, УТЭС-271, УТЭС-271 «Барс» и их модификации, а также МЭС-90СХ для доставки удобрений на поля (рис. 29).

Техническая новизна разработанных МЭС подтверждена патентами на изобретения и промышленные образцы. Накопленный банк данных позволяет проводить поиск рациональных параметров и конструктивных решений перспективных образцом МЭС.

ТТС-70 с разбрасывателем УТЭС-27( с разбрасывате- Энергосредство МЭС-90, МВД-0,5, выпущено 22 ед. лем, промобразец № 76642 промобразец № 76639

Рис. 29. Образцы машин, созданы по патентам № 95293, 95308, 108402, 108403, 2446957, 116002. 116830

В восьмой главе «Экономическая эффективность от применения энергосредств на шинах сверхнизкого давления» дана сравнительная экономическая оценка применения МЭС, оборудованных шинами сверхнизкого давления, и использования их в усовершенствованной технологии.

Эффективность использования МЭС оценивали методом сравнения с зарубежными и отечественными машинами для внесения минеральных удобрений и пестицидов. При использовании МЭС в агротехнологиях затраты на 1 га обрабатываемой площади в 3,2-5,2 раза ниже, чем применение наиболее популярных зарубежных и отечественных опрыскивателей. При внесении минеральных удобрений затраты на 1 га обработанной площади у МЭС составляют 47,1 руб., что в 4 раза меньше, чем у John Deere 4930, и в 3,1 раза меньше, чем у самолета АН-2.

Целесообразность применения усовершенствованной технологии определяли на основании результатов испытаний двух вариантов, базовой и усовершенствованной, по конечному результату - урожайности. Экономические показатели при этом сравнивали по всей технологии производства продукции. Усовершенствованная технология обеспечивает снижение затрат средств защиты растений на 23,4%, экономия топлива составляет 46,3%, а затраты на заработную плату снижаются на 17,2%, расчетная рентабельность технологии составляет 69,4%. Данная технология обеспечивает не только сокращение затрат при выполнении комплекса механизированных работ, но также увеличение урожайности сельскохозяйственных культур за счет лучшего сохранения почвенной влаги.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Выполненный комплекс научных исследований позволяет сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1. Разработана методология создания МЭС на шинах сверхнизкого давления и эксплуатационные требования, предъявляемые к ним, позволяющие выбирать функциональную схему, компоновку, параметры подвески, колесного движителя и монтируемого оборудования, обеспечивающие агротехническую проходимость при выполнении технологических операций на почвах с низкой несущей способностью и растительном покрове.

2. Разработана пространственная математическая модель процесса взаимодействия высокоэластичной шины с ночвенно-растительным покровом. Предложен методологический подход, основанный на методе конечных элементов, теории упругости и механике сплошных сред. Особенность подхода - cí o универсальность, что позволяет моделировать поверхности качения с различной влажностью, а также учет наличия растительного покрова и жесткости составных частей колесного движителя.

Оптимальные параметры шины для МЭС, должны соответствовать диаметру в диапазоне от 1,2 до 1,5 м, а по ширине от 550 до 700 мм. Агротехническая проходимость, движителя, оборудованного шипами сверхнизкого давления, обеспечивается на почвах с низкой несущей способностью при нагрузке на шину-оболочку 2,5 кН и давлении воздуха в шинах 5-30 кПа, а при нагрузке на бескамерную шину 4,41 кН - при давлении воздуха в шинах 10-40 кПа. При данных нагрузочных режимах наибольшая концентрация напряжений находится в пахотном слое почвы 0-250 мм, затухание в котором составляет 60%. Моделированием процесса взаимодействия колесного движителя с растениями высотой 150 мм установлено, что излома стеблей не происходит, а полеглость в следе достигает 64%.

3. Разработана математическая модель колебаний остов МЭС, учитывающая конструктивные параметры навесного оборудования, сглаживающую способность шин, упруго-вязкостные свойства почвы, позволяющая исследовать агротехниче-кую проходимость и плавность хода при выполнении технологических операций на рабочих скоростях движения.

Согласно разработанной математической модели и проведенным расчетам установлено, для обеспечения требуемого уровня плавности хода МЭС, оборудованных шинами сверхнизкого давления, ходовая часть должна иметь независимую подвеску и удовлетворять следующим параметрам: отношение жесткости шины к жесткости подвески 1,5-6,0; отношение жесткости подвески переднего моста к жесткости подвески среднего моста 1,15-1,25; отношение жесткости подвески переднего моста к жесткости подвески заднего моста 1,0-0,95; коэффициент неподрессоренных масс 1,75-4,0; отношение расстояния между средним и задним мостами к расстоянию между передним и средним мостом 0,6-0,7. Разработанные параметры ходовой части МЭС по уровню колебаний на сиденье оператора соответствуют ГОСТ 12.1.01290 в диапазоне рабочих скоростей от 2,78 до 11,1 м/с. Амплитуда колебаний штанг на равнинной местности не должна превышать 200 мм. Оценка адекватности модели производилась по максимальным амплитудам ускорений подрессоренных масс и

сиденья оператора, при этом отклонение расчетных и экспериментальных значений амплитуд ускорений находится в пределах 7-11%.

4. Экспериментальными исследованиями параметров плавности хода МЭС, установлено, что при преодолении единичных неровностей и равной жесткости подвесок переднего и заднего мостов, но меньшей жесткости подвески среднего моста, уровень колебаний ниже, чем при равных жесткостях подвесок среднего и заднего мостов. С увеличением скорости разница в вибронагруженности подрессоренных масс переднего моста уменьшается с 29 до 13%, на резонансной частоте в октавной полосе 2 Гц при скорости 5,56 м/с оба варианта подвесок имеют максимальные уровни колебаний, и для второго варианта подвесок ускорения составляют 0,83 м/с2. Применение независимой подвески снижает вибронагруженность подрессоренных масс с увеличением скорости движения с 3 до 5,6 раз.

Экспериментально подтверждено, что при оборудовании МЭС независимой подвеской и шинами сверхнизкого давления не целесообразно применение под-рессоривания сиденья оператора. При преодолении единичных неровностей высотой 150 мм с увеличением скорости с 2,78 до 11,1 м/с максимальные значения амплитуд колебаний ускорений возрастают в 3,1 раза и не превышают 0,78 м/с2, а при движении по грунтовой дороге в изношенном состоянии при скорости движения 30 км/ч уровень колебаний ускорений на сиденье оператора не превышает 1,1 м/с2. На всех режимах испытаний уровень колебаний на сиденье оператора соответствует-ГОСТ 12.1.012-90.

5. Экспериментально определены основные характеристики шин сверхнизкого давления, сельскохозяйственного назначения. Установлено, что нагрузка на шину-оболочку ОШ-1 не должна превышать 3,43 кН, а на шину с протектором «косая елка» - 5,47 кН. Относительный радиальный прогиб при рабочих режимах эксплуатации для шины-оболочки 0111-1 не должен превышать 29%, а шины 1300x600-533 с протектором «косая елка» - 20,8%. Рабочее давление воздуха при выполнении технологических операции, из условия минимума энергозатрат и обеспечения заданного относительного прогиба, в шине-оболочке ОШ-1 должно соответствовать 10-15 кПа и в бескамерной шине с протектором «косая елка» -20-30 кПа. Коэффициент неравномерности распределения контактных давлений у шины оболочки должен составлять 1,3, у шины с протектором «косая елка» - 1,6. Протектор (патент № 2399499) повышенной проходимости и обоснованные его параметры позволяют реализовывать тяговый КПД на поле, подготовленном под посев, равный 0,89, при коэффициенте сцепления 0,60-0,66 и коэффициенте сопротивления качению 0,034-0,039.

6. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что колесный движитель МЭС, оборудованный шинами сверхнизкого давления, является экологически безопасным. Максимальное давление на поверхность качения колесного движителя при комплектации шинами-оболочками и бескамерной шиной с протектором «косая елка» составляет соответственно 22,8 и 29,5 кПа, что удовлетворяют требованиям ГОСТ-26955-86 по уровню воздействия на поверхность качения. Физико-механические характеристики почвы практически не изменяются даже после 10-кратного прохода по одному следу. Воздействия высокоэластичного движителя на культурные растения, находящиеся в фазе кущения, показали, что

растения слегка прикатаны, но не повреждены, через 10-12 дней после прохода они полностью восстанавливаются в росте и следов от прохода на поле не видно.

7. Шины сверхнизкого давления обладают повышенной сглаживающей способностью, проявляющейся в большей степени с увеличением частоты возмущающих воздействий, однако с увеличением скорости с 25 до 50 км/ч амплитуда колебаний оси колеса снижается. Установлено, что при одинаковой высоте короткой неровности, независимо от ее профиля, траектория оси колеса имеет форму сегмента. Высота подъема оси колеса меньше высоты преодолеваемой неровности на 13-40% н зависит от давления воздуха в шине.

8. Использование МЭС на экологически безопасных движителях позволяет выполнять технологические операции по внесению удобрений и обработке посевов пестицидами в заданные агротехнические сроки на почвах с низкой несущей способностью при любой погоде, как в светлое, так и в темное время суток. МЭС реализует рабочую скорость 29,6 км/ч при внесении минеральных удобрений, без ухудшения качества технологического процесса, неравномерность распределения удобрений по ширине не превышает 19,2%, ano ходу движения 7,9%, что удовлетворяет существующим агротрсбованиям.

9. Сравнительными исследованиями технико-экономических показателей МЭС на шинах сверхнизкого давления с отечественными и зарубежными аналогами установлено, что при внесении минеральных удобрений затраты на 1 га обработанной площади у МЭС в 4 раза меньше, чем у самоходного средства химизации John Deere 4930, и в 3,1 раза меньше, чем у самолета АН-2. При химической обработке полей затраты у МЭС в 5,2 раза ниже, чем у John Deere 4930, при том что сменные производительности их близки.

10. Усовершенствована технология с включением в комплекс машин МЭС на шинах сверхнизкого давления (патент № 2467546). Рекомендации использования в агротехнологиях этих МЭС обеспечивают повышение урожайности на 15-30%, экономию топлива на 46,3%, снижение затрат на приобретение средств защиты составляет 23,4%, экономия фонда заработной платы достигает 17,2%, по сравнению с базовой технологией.

11. Разработанная методика обоснования параметров шин сверхнизкого давления, опытно-конструкторские работы и практические рекомендации позволили разработать техническую документацию и наладить производство высокоэффективных МЭС сельскохозяйственного назначения, включающие средства внесения минеральных удобрений и средства доставки удобрений на поля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

а) Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Прядкин В.И. Энергосрсдство нового поколения // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. № 3. - С. 23-25.

2. Прядкин В.И. Вибронагружснность энергосредства на шинах сверхнизкого давления // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. JV» 5.

- С. 29-30.

3. Прядкин В.И. Оценка воздействия колесного движителя на растительный покров // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. 2. - С. 24-26.

4. Прядкин В.И. Агротехническая проходимость энергосредств по почвам с низкой несущей способностью // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2013. № 4. - С. 34-37.

5. Прядкин В.И. Воздействие экологичной шины на почву / Вестник Воронежского гос. техн. университета // Том. 7. 2011. X« 3. - С. 198-200.

6. Прядкин В.И. Несущая способность высокоэластичной шины / Вестник Воронежского гос. техн. университета // Том. 7. 2011. № 4. - С. 48-50.

7. Прядкин В.И. Оценка опорной проходимости средств химизации по почвам с низкой несущей способностью // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. Х> 5. -С. 15-18.

8. Гребнев В.П., Прядкин В.И. Нагруженность трансмиссии транспортно-техноло-гического агрегата // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2000. JYa 3. -С. 34-36.

9. Бычков H.H., Прядкин В.И., Мельник А.Г. Энергосредство для механизации работ на поймах // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004. 10.

- С. 6-8.

10. Зайцев С.Д., Стреблеченко Л.С., Прядкин В.И. Энергосредство на шинах сверхнизкого давления /У Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. .V» 10 -С. 9-10.

11. Зайцев С.Д., Стреблеченко Л. С., Гончаренко C.B., Прядкин В.И. Тягово-сцепные качества высокоэластичных шин сверхнизкого давления // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. jY¡> 9. - С. 29-31.

12. Прядкин В.И„ Зайцев С.Д., Стреблеченко Л.С., Гончаренко C.B. Выбор рациональных режимов работы высошэластичных шин сверхнизкого давления // Каучук и резина. - 2010. X« 1. - С. 40-42.

13. Зайцев С.Д., Стреблеченко Л.С., Гончаренко C.B., Прядкин В.И. Экспериментальная оценка тягово-сценных качеств широкопрофильной шины // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. Х° 8. - С. 25-27.

14. Гончаренко C.B., Прядкин В.И. Упругие характеристики шин сверхнизкого давления при различных режимах нагружения. Часть 1. Вертикальные и боковые нагрузки // Каучук и резина. - 2011. № 1. - С. 24-26.

15. Гончаренко C.B., Прядкин В.И. Упругие характеристики шин сверхнизкого давления при различных режимах нагружения. Часть 2. Оценка тангенциальной жесткости // Каучук и резина. - 20 И. № 2. - С. 23-25.

16. Прядкин В.И., Боева A.A., Мордовцев A.A. Многократное снижение затрат при химической обработке - реальность // Регион: системы, экономика, управление / Русский провинциальный научный журнал. - 2011. № 2 (13). - С. 243-246.

17. Кадыров C.B., Прядкин В.И., Русанов A.B., Бриндюк В.Н. Техника для ресурсосберегающих технологий // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2012. № 2. - С. 44-47.

б) Монография и учебное пособие с грифом УМО

18. Прядкин В.И. Проходимость колесных транспортно технологических агрегатов лесного комплекса. - Воронеж: Воронеж, гос. лесотехн. акад., 2000. - 232 с.

19. Волков B.C., Прядкин В.И., Фатхулин Ф.Ф. Проектирование шасси автомобиля / Учебное пособие. - Воронеж: Воронеж гос. лесотехн. акад., 2001. - 232 с.

в) Патенты;

20. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Колесо транспортного средства / Патент на полезную модель. № 76283. - 2008.

21. Прядкин В.И., Бриндюк В.П., Бриндюк C.B. Колесо транспортного средства / Патент на полезную модель. № 76284. - 2008.

22. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Колесо транспортного средства / Патент на полезную модель. Л'г 77575. - 2008.

23. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Колесо транспортного средства / Патент на полезную модель. № 77576. - 2008.

24. Прядкин В.Pl., Бриндюк В.H., Бриндюк C.B. Подвеска транспортного средства повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 77578. - 2008.

25. Прядкин В.И., Бриндюк В.II., Бриндюк C.B. Шина-оболочка для транспортного средства повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 79493. - 2009.

26. Прядкин В.И., Рыбин В.П., Филиппов Jl.Е. Транспортное средство повышенной проходимости / Патент на промышленный образец. jVs 76639. - 2009.

27. Прядкин В.И., Бриндюк В.П., Бриндюк C.B. Транспортное средство повышен-

ной проходимости / Патент на промышленный образец. № 76642. - 2010.

28. Прядкин В.И., Бривдюк В.Н., Бриндюк C.B. Подвеска транспортного средства повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 95293. - 2010.

29. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Дистанционный привод управления коробкой передач транспортного средства / Патент на полезную модель. №95294.-2010.

30. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Пространственная рама транспортного средства преимущественно повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 95308. - 2010.

31. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Протектор шины транспортного средства повышенной проходимости / Патент на изобретение. № 2399499. -2009.

32. Прядкин В.И., Бриндюк В.II., Бриндюк C.B. Рулевая колонка транспортного средства / Патент на полезную модель. № 98727. - 2009.

33. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Крыло транспортного средства преимущественно повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 9429.-2009.

34. Прядкин В.И., Бриндюк В.II., Бриндюк C.B. Шина транспортного средства повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 103329. - 2010.

35. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Транспортао-технологическая машина типа «пневмоход» / Патент на полезную модель. № 108402. - 2011.

36. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Транспортно-технологическая машина типа «пневмоход» / Патент на полезную модель. № 108403. - 2011.

37. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Способ производства посевных сельскохозяйственных культур /' Патент на способ. № 2467546. -2011.

38. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Опрыскиватель / Патент на полезную модель. № 108920. - 2011.

39. Прядкин В.П., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Колесо транспортного средства / Патент на изобретение. № 2446957. - 2012.

40. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Транспортно-технологическая машина преимущественно сельскохозяйственного назначения / Патент на полезную модель. № 116002. - 2012.

41. Прядкин В.П., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Транспортно-технологическая машина преимущественно сельскохозяйственного назначения (варианты) / Патент на полезную модель. № 116830. - 2012.

42. Прядкин В.И., Бриндюк В.Н., Бриндюк C.B. Шина транспортного средства повышенной проходимости / Патент на полезную модель. № 119684. - 2012.

г) Прочие публикации

43. Гребнев В.П., Прядкин В.И., Чернигин A.C. Особенности математического моделирования динамики тракторных транспортных агрегатов // Информационные технологии в учебном процессе и НИР / Воронеж, аграр. ун-т. - Воронеж, 1995.-С. 241-250.

44. Прядкин В.И. Энергетический баланс транспортно-технологического агрегата при движении в тяжелых дорожных условиях//Материалы конф. «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе». -Воронеж, 1998.-С. 55-56.

45. Бартенев И.М., Прядкин В.И. Моторно-трансмисснонные установки для мобильных энергетических средств // Материалы конф. «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе». - Воронеж, 1998.-С. 57-58.

46. Бартенев И.М., ГТрядкин В.И., Стасюк В.В. Повышение проходимости сорти-ментовоза применением автоматического регулятора давления воздуха в шинах // Материалы конф. «Научно-технические проблемы к развитии ресурсобере-гающих технологий и оборудования лесного комплекса». - Воронеж, 1998. -С. 192-194.

47. Прядкин В.И. Моделирование процесса колееобразования при движении колеса по лесной почве // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса / Межвуз. сб. тр. ВГЛТА. - Воронеж, 1999. - С. 20-24

48. Прядкин В.И. Моделирование процесса формирования касательной силы тяги ведущего колеса // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса / Межвуз. сб. тр. ВГЛТА. - Воронеж, 1999. - С. 66-70.

49. Прядкин В.И., Панюшкин H.H. Обоснование параметров колесного движителя сортиментовоза// Вестник ЦЧР отделения наук о лесе академии естественных наук ВГЛТА, вып. 2. 1999. - С. 147-153.

50. Прядкин В.И. Особенности динамической нагруженности моторно-трансмис-сиониой установки транспортного агрегата // Материалы международной конф. '<Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей». - Санкт-Петербургский ГАУ, 1999. - С. 74-75.

51. Прядкин В.И. Методология математического моделирования динамики транспортно-технологических агрегатов // Материалы международной конф. «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей». - Санкт-Петербургский ГАУ, 1999. - С. 75-76.

52. Прядкин В.И. Моделирование взаимодействия колеса с короткой неровностью // Материалы международной конф. «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей». - Санкт-Петербургский ГАУ, 1999. -С. 76-77.

53. Бартенев И.М., Прядкин В.И., Колосов С.А Проходимость почв и повышение тяговых качеств движителей // Материалы международной научно-практической конф. «Интеграция фундаментальной науки и высшего образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины». - Воронеж гос. лесотехн. акад., 2000. - С. 252-258.

54. Прядкин В.И., Мельник А.Г. Экологичность высокопроизводительного транспортно - технологического агрегата оборудованного почвощадящим движителем // Труды 4-й международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» / Воронежское отделение РЭА. - Воронеж, 2001. -С. 60-64.

55. Прядкин В.И., Кухаренко Д.С. Оценка пассивной безопасности ТТС-70 по биохимическим параметрам // Экологический вестник Черноземья. - 2002. Вып. 13.-С. 58-61.

56. Прядкин В.И., МелЪник А.Г. Эффективность транспортно-технологического средства на шинах сверхнизкого давления // Мобильная и стационарная энергетика, сельскохозяйственный транспорт, использование топлива в растениеводстве / Научные труды ВИМ, т. 150. - М.: ВИМ. 2003, - С. 134-139.

57. Прядкин В.И. Оценка эксплуатационных качеств экологичного транспортно-технологического средства ТТС-70 на шинах сверхнизкого давления /У Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий параметров оборудования и систем управления: Межвузовский сборник научных трудов / Под ред. B.C. Петровского. - Воронеж: ВГЛТА, 2004. - С. 213-217.

58. Прядкин В.И. Экологичная мобильная техника сельскохозяйственного назначения / Труды 8-й международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии». - Воронеж, 2005. - С. 214-218.

59. Бартенев И.М., Прядкин В.И., Одноралов Г.А. Оценка экологического воздействия мобильного средства на лесную почву//Лесное хозяйство. - 2010. Ks 2. -С. 44-45.

60. Прядкин В.И. Оценка воздействия высокоэластичной шины на поверхность качения // Лесное хозяйство. - 2011. .V» 5. - С. 42-43.

61. Бартенев И.М., Прядкин В.И. Оценка распределения давлений широкопрофильной шины 600/50-22,5 на почву // Лесное хозяйство. - 2012. Л"° 2. - С. 46-48.

Подписано в печать 12.09.13 г. Формат бум. 60x90 1/16. Усл. печ. л. 2. Тираж 100 экз. Зак. № 31

Типография ГНУ ВИМ 109428, Москва, Г" Институтский проезд, д. 5.

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

(ФГБОУ ВПО ВГЛТА)

05201351728

На правах рукописи

ПРЯДКИН Владимир Ильич

МОБИЛЬНЫЕ ЭНЕРГОСРЕДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ШИНАХ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д-р техн. наук, академик Россельхозакадемии Измайлов А.Ю.

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................8

1. ПРОБЛЕМА ПРИМЕНЕНИЯ В АГРОТЕХНОЛОГИЯХ ЭНЕРГОСРЕДСТВ НА ШИНАХ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ....16

1.1 Роль и место техники нового поколения в высокорентабельных технологиях земледелия...................................................... 16

1.2 Почвенно-климатические условия эксплуатации средств химизации и эффективность их применения..............................27

1.3 Экологическая безопасность мобильных средств........................50

1.4 Плавность хода мобильных энергосредств при эксплуатации на повышенных рабочих скоростях.............................................62

1.5 Выводы и постановка задач исследования.................................69

2. ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ

С ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНЫМ ПОКРОВОМ..........................73

2.1 Моделирование системы «шина-почва-растение»........................73

2.1.1 Моделирование колесного движителя.................................73

2.1.2 Моделирование почвы.....................................................76

2.1.3 Моделирование растительного покрова...............................83

2.1.4 Программная реализация моделей.....................................88

2.2 Результаты моделирования процессов взаимодействия шин сверхнизкого давления с опорными поверхностями.....................91

2.2.1 Моделирование воздействия шин сверхнизкого давления

на почву.......................................................................91

2.2.2 Моделирование взаимодействия шин сверхнизкого

давления с растительным покровом....................................105

2.2.3 Моделирование сцепных свойств и сопротивления качению

шин сверхнизкого давления..............................................112

2.2.4 Моделирования сглаживающей способности шин сверхнизкого давления....................................................117

2.3 Выводы по второй главе........................................................133

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЭНЕРГОСРЕДСТВ НА ШИНА СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ.....136

3.1 Методология выбор конструктивно-компоновочных параметров мобильных энергосредств на шинах сверхнизкого давления..........................................................................136

3.2 Пространственная математическая модель МЭС на шинах сверхнизкого давления.......................................................143

3.2.1 Математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия - МЭС в поступательном движении»................143

3.2.2 Математическая модель подсистемы, описывающая вертикальные, угловые и поперечные колебания МЭС..........145

3.2.3 Блок колебаний МЭС, оборудованного штанговым опрыскивателем...........................................................149

3.2.4 Блок формирования крутящего момента двигателя...............150

3.2.5 Блок, формирования момента сопротивления агрегата...........151

3.2.6 Блок показателей агротехнической проходимости МЭС.........152

3.2.7 Структурный анализ математической модели МЭС...............154

3.3 Моделирование процессов динамической нагруженности агрегатов и почвы...............................................................156

3.3.1 Результаты моделирования контактных давлений колесного движителя....................................................................156

3.3.2 Результаты моделирования влияния параметров ходовой

части на плавность хода МЭС...........................................161

3.4 Влияние сглаживающей способности шин сверхнизкого давления

на вибронагруженность МЭС при случайном возмущении............170

3.5 Выводы по третьей главе......................................................176

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ШИН СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА ПОВЕРХНОСТЬ КАЧЕНИЯ.............................................180

4.1 Цель и программа экспериментальных исследований

шин сверхнизкого давления...................................................180

4.2 Методики определения характеристик шин............................181

4.2.1 Методика определения упругих характеристик.....................181

4.2.2 Методика определения тяговых характеристик.....................185

4.2.3 Методика определения среднего и максимального давления

шин на поверхность качения.............................................186

4.2.4 Методика определения силы и коэффициента сопротивления

»

качению......................................................................188

4.3 Результаты и анализ экспериментальных исследований шин

сверхнизкого давления.........................................................190

4.3.1 Результаты и анализ экспериментальных исследований шины-оболочки ОШ-1.......................................................190

4.3.2 Результаты экспериментальных исследований шины 1300x530-533 с протектором «косая елка»...............................209

4.3.3 Результаты экспериментальных исследований сглаживающей способности шин сверхнизкого давления................................227

4.3.4 Результаты экспериментальных исследований энергозатрат на качение шин сверхнизкого давления по почве с низкой несущей способностью......................................................236

4.3.5 Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований шин сверхнизкого давления..............................241

4.4. Выводы и рекомендации по совершенствованию шин

сверхнизкого давления........................................................247

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГОСРЕДСТВ НА ШИНАХ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ.. ..250

5.1 Цель и задачи исследований..................................................250

5.2 Объект экспериментальных исследований................................251

5.3 Лабораторно-полевые и полевые испытания по определению плавности хода и динамической нагруженности энергетического

средства...........................................................................252

5.3.1 Исследования плавности хода и нагруженности ходовой

части..........................................................................252

5.3.2 Экспериментальные исследования тормозных качеств энергосредств...............................................................269

5.4 Лабораторно-полевые испытания по определению эксплуатационно-технических показателей энергосредств

на шинах сверхнизкого давления...........................................269

5.5 Оценка экологической безопасности энергетического средства

на шинах сверхнизкого давления...........................................273

5.6 Результаты производственных испытания энергетических средств на экологически безопасных движителях, пути повышения их годовой загруженности....................................278

5.7 Выводы по пятой главе.......................................................283

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГОСРЕДСТВ НА ШИНАХ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ......................................................................286

6.1 Вписываемость новых мобильных средств в базовые технологии земледелия......................................................................286

6.2 Агрегатирование универсального технологического энергетического средства с сельскохозяйственными машинами

и его годовая загрузка........................................................291

6.3 Использование новых энергосредств в ресурсосберегающих технологиях земледелия....................................................292

6.3 Выводы по шестой главе....................................................299

7. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСССЛЕДОВАНИЙ..........................................................300

8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТ ПРИМНЕНИЯ ЭНЕРГОСРЕДСТВ НА ШИНАХ СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ...311

8.1 Анализ технико-экономические показатели средств химизации.....311

8.2 Экономическая оценка усовершенствованной ресурсосберегающей технологии...........................................316

8.3 Выводы...........................................................................319

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ....................................321

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...........................................326

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................352

Приложение 1. Копии документов..............................................352

Приложение 2. Рефераты патентов.............................................362

Приложение 3. Технические характеристики средств химизации.......386

Приложение 4. Копии свидетельств регистрации программ для ЭВМ..390 Приложение 5. Программа для расчета шин сверхнизкого давления.. .393

Приложение 6. Программа для расчета TTC на шинах сверхнизкого

давления..........................................................432

Перечень условных обозначений

МЭС - мобильное энергетическое средство; TTC - транспортно-технологическое средство; УТЭС - универсальное технологическое энергетическое средство; КПД - коэффициент полезного действия;

D - обобщенный показатель соответствия средств химизации условиям эксплуатации;

П8 - опорная проходимость по несущей способности почвы; qs -несущая способность почвы;

„тах

qK - максимальное контактное давление движителя на почву; qcp - среднее давление в пятне контакта движителя на почву; Pw - внутришинное давление воздуха; Pf - сила сопротивления качению;

Pç, - сила сцепления;

H - несущая способность шины; / - коэффициент сопротивления качению;

<рх - коэффициент сцепления; GK - нагрузка на шину; Сш - жесткость шины; Сп — жесткость подвески; Fk - контурная площадь контакта шины; hz - деформация шины;

- коэффициент гистерезисных потерь в шине; S - буксование колеса; Snp - предельное буксование колеса.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г. ведущее место отводится инновационной модернизации отрасли, способствующей ускорению развития отечественного агрокомплекса.

В повышении эффективности сельскохозяйственного производства определяющую роль играет химизация. Высокий её уровень предусматривает широкое применение техники для внесения минеральных удобрений и химических средств защиты растений от болезней и вредителей.

Разнообразием почвенно-климатических условий и сельскохозяйственных культур в России обусловлено, что большой процент работ выполняется на почвах с низкой несущей способностью, которые составляют 11,2 млн га пахотной площади земель в России. Однако применяемые технические средства в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур предназначены для эксплуатации на почвах с высокой несущей способностью, влажностью 2025%. Особую сложность представляют технологические операции при работе агрегатов в ранний весенний и поздний осенний периоды. В ряде случаев движение машин по полю в это время становится невозможным. Для получения высоких урожаев операции по внесению минеральных удобрений должны производиться в строго заданные агротехнические сроки, согласно микрофазам роста растений, а не тогда, когда сроки упущены и почва имеет низкую влажность. Многие технологические процессы в этот период не выполняются в заданные сроки из-за отсутствия технических средств, обеспечивающих выполнение операции на этих типах почв.

Эффективным путем повышения агротехнической проходимости агрегатов и обеспечения выполнения операций на почвах с низкой несущей способностью является применение мобильных энергетических средств (МЭС), оборудованных шинами сверхнизкого давления. Поэтому исследования, направленные на разработку принципиально новых мобильных средств, совершенст-

вование их ходовых систем, актуальны и имеют важное народно-хозяйственное значение.

Исследования проходимости МЭС с колесными движителями выполнялись в основном для шин низкого давления, а режимы движения на высокоэластичных движителях с внутренним давлением воздуха 5-40 кПа требуют уточнения ряда положений, в том числе в области взаимодействия колесного движителя с почвенно-растительным покровом. Разработка единой обобщенной теории движения МЭС, оборудованных экологически безопасным колесным движителем, с выше указанным давлением воздуха, и экспериментальное подтверждение этой теории позволят обосновать рациональные параметры таких движителей и целесообразность их применения на МЭС при внесении минеральных удобрений и обработке пестицидами возделываемых сельскохозяйственных культур.

Цель работы: научное обоснование разработки мобильных энергетических средств, оборудованных шинами сверхнизкого давления, для реализации агротехнологий на почвах с низкой несущей способностью.

Для достижения цели работы сформулированы и решены следующие задачи исследований:

1. Обосновать эксплуатационные требования, предъявляемые к сельскохозяйственным энегосредствам, предназначенным для эксплуатации на почвах с низкой несущей способностью и растительном покрове.

2. Разработать математическую модель взаимодействия шин сверхнизкого давления с почвенно-растительным покровом, методику выбора рациональных параметров и режимы их работы, обеспечивающие заданные эксплуатационные требования.

3. Разработать математическую модель исследования плавности хода энергосредства на шинах сверхнизкого давления при различном характере возмущающих воздействий. Обосновать параметры ходовой части энергосредства. Провести исследования по оценке плавности хода МЭС, оборудованного средствами химизации.

4. Оценить влияние параметров шин сверхнизкого давления на агротехническую проходимость энергосредства, экологическую совместимость с окружающей средой, качество выполняемого технологического процесса, а также плавность хода.

5. Провести расчетно-экспериментальную оценку тягово-сцепных свойств, определить базовые параметры шин сверхнизкого давления и параметры протектора, разработать рекомендации по конструктивному совершенствованию этого класса шин, позволяющие повысить их эксплуатационную эффективность.

6. Разработать МЭС на шинах сверхнизкого давления, предложить технические решения, дающие возможность повысить технологический уровень, провести их производственные испытания и оценить эффективность применения в агротехнологиях.

7. Усовершенствовать технологию возделывания сельскохозяйственных культур путем применения в комплексе машин МЭС, на шинах сверхнизкого давления, провести ее апробацию и технико-экономическую оценку.

Научную новизну исследований представляют:

1. Методология создания МЭС на шинах сверхнизкого давления, отличающаяся системным подходом на основе применения транспортно-технологической концепции, учитывающая свойства опорной поверхности, интенсивность изменения нагрузок со стороны движителей, а так же конструктивные особенности в соответствии с основными критериями, определяющими их эксплуатационные свойства в специфических условиях на почвах с низкой несущей способностью.

2. Математическая модель взаимодействия шин сверхнизкого давления с почвенно-растительным покровом, на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом физико-механических характеристик высокоэластичных шин, упруго - пластических свойств почвы и растительного покрова, на базе которой разработана методика позволяющая, выбирать рациональные параметры шин.

3. Математическая модель МЭС для исследования плавности хода и динамической нагруженности при движении по почвенно-растительному покрову, отличающаяся учетом динамических свойств навесного оборудования, упругих свойства почвы, сглаживающую способность шин. Позволяющая выбирать параметров ходовой части и компоновку МЭС, параметры навесного оборудования, режимы эксплуатации на стадии создания, обеспечивающие агротехническую проходимость и плавность хода.

4. Базовые, тяговые и нагрузочные характеристики шин сверхнизкого давления и параметры протектора, аналитические зависимости для их расчета, технические решения по совершенствованию и рекомендации по выбору режимов работы.

Объектом исследований являлись. Мобильные энергетические средства, оборудованные экологически безопасными колесными движителями на шинах сверхнизкого давления.

Предмет исследования: закономерности функционирования МЭС на шинах сверхнизкого давления при осуществлении технологических процессов на почвах с низкой несущей способностью

Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования базировались на применении методов системного подхода, численных методов решения дифференциальных уравнений и методов математического моделирования, теории вероятностей, теоретической механики и оптимального проектирования.

Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях и на лабораторных стендах с использованием современных измерительных средств.

Основные положения, выносимые на защиту: На защиту выносятся основные положения представляющие новизну и практическую ценность.

Достоверность результатов. Адекватность математической модели движения МЭС по агрофонам подтверждена сравнением результатов расчета и натурного эксперимента. Проведенные комплексные экспериментальные исследования МЭС подтвердили основные теоретические положения.

Для оценки достоверности годовой загрузки МЭС при внесении минеральных удобрений и пестицидов, производственные испытания проводились в течение 12 сезонов, с 2000 по 2012 гг., в различных регио�