автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата

На П|> |Щ'1Ц1

М ЧМККТАЛШ! КЛМ1М 'НЖУШКИЯЧ

Ар' •

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО!! СХЕМЫ 13

ПАРАМЕТРОВ КОЛШ-ШИРОПЛННОГО И(),Ш()0Г,."'ЛГ,ЛТ!.Г15ЛЮ1ДГ - ПОСЕВНОГО АГРЕГАТА

Специальность 05.20.01- механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степенн кандидата технических наук

О»

со а_

и_1

с\| см

Челябинск - '. ">98

l';<f>ora выполненаяа кафедре "По'^япобрлЛатываквдие и погсвш ic минпшм п Челябинском государственном афоинженерном унлвергшп с

I шыЯ руководитель - доктор технических наук, профессор

Рахимов Раис Саитгалесвич IЫ) тый консультант - кандидаттехни юских наук, доцент Кокорин Александр Федорович

1 'Фиииальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Дорохов Аркадий Порфнрьевнч кандидат технических наук, Гордеев Олег Власовнч

Ведущая организация - ЦелинНИИМЭСХ

Защита состоится ^^^ 1998 г в ^^ часов на заседании

диссертационного согета К 120.46.01 Челябинского государственного В1 рпттеиернпт университета по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. им. В.И.Ленина, 75

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственною агроинжеверного университета

Автореферат разослан. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

V*

1998 т

А.А.Иагрутев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность /лены.

Возделывание сельскохозяйственных культур но традиционной техполиын прои пюаится многократными проходами МТА по полю с однооперацношшми машинами. Ирм этом площадь следов колее ходоеых систем тракторов н сельскохозяйственных машин превышает площадь самого поля в три и более раз. В результате этих повторяющихся уплотняющих воздействий плотность почв в настоящее время больше ее допустимой величины, необходимой для роста и развития растений, в 1,1 - 1,2 раза. Все это привело к потере плодородия почв и снижению урс кайностн зерновых культур на 11,5 ц/ra. Все степные районы расположены в зоне недостаточного увлажнения. Осадков выпадает 70-80% от необходимой нормы. Характерная черта климата - маНско-шоньская засуха. Основным фактором урожайности является почвенная влага весной, образующаяся за счет осенне-зимних осадков. И наиболее полное использование этой дефицитной влаги в условиях зоны является труднооеушеетвнмой задачей. Выполнение весеште-полевых работ последовательными проходами МТА с неизбежными разрывами между операциями ведет к иссушению поверхностного слоя и попаданию семян в сухую почву. Избежать переуплотнения почвы и максимально использовать продуктивную влагу весной возможно с применением комбинированных мочвоо'рабаплвающе - посевных агрегатов (КГША).

Цель исследования

Обоснование конструктивной схемы и параметре, з комбинированного почвообрабатывагоще-посевного агрегата.

Объект исследования

Конструктивная схема, параметры н технологический процесс работы комбинированного почвообрабатывающе- посевного агрегата.

Предмет исследования

Установление зависимостей качественных и энергетических показателей работы комбинированного агрегата от его конструктивных параметров.

Методика чередования

В соответствии с поставленной целью и задачами разработана методика получения исходной информации, методика теоретических г* экспериментальных исследований. Методика получения исходной информации заключается в получении данных дискретных реализации!) входных возмущающих воздействий рельефа поля и сопротивлени»' почвы как двухмерных случайных функтшй. Слговой теоретических

исследований является математическое моделирование рабочего процесса агрегата. Окстримешальные исследования основывались на методиках получения и обработки результатов экспериментов, которые проводились в соответствий с требованиями ОСТов н ГОСТов с применением соответствующей регистрационной аппаратуры.

Научная новизна

Обоснование схем совмещения рабочих органов КППА проведено с учетом их последействия; оСоснование конструктивной схемы и параметров КППА осуществлено на •юнове обобщенной математической модели почвообрабатывающих агрегатов в ^повиях, максимально приближенных к реальным (рельеф поля и сопротивление почвы учитывались в модели в виде двухмерных нестационарных случайных функций).

Практическая ценность Применение комбинированных почвообрабатывающе -посевных агрегатов при возделывании с.-х. культур позволяет проводить весенне-полевые работы в сжатые сроки, без разрыва между операциями. Тем самым обеспечивается продуктивное использование дефицитной влаги в условиях Северного Казахстана, предотвращается переуплотнение по':зы, сокращается количество проходов МТА по полю, снижаются материальные и трудовые затраты.

Апробация рс боты

Основные положения диссертационной работы докладывались па научно-технических конференциях ЧГАУ в 1996..1998 гг.

Внедрение

Опытный образец КППА прошел производственную проверку в АО "ВОСТОЧНОЕ" Бредннского района Челябинской области.

Публикация

По результатам исследований опубликованы три статьи.

Структура и объем ди^ *#ртации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений, изложена на 133 страницах машинописного текста и содержит 52 рисунка, 17 таблиц, список использованной литературы содержит 80 источников

, Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, показана ее научная новизна, поставлена цель и даны основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса н задачи исследования" показало, что природно-климатические условия зоны Северного Казахстана, физико-механические свойства почвы и применяемая система земледелия позволяют использование комбинированных почвообрабатывающе- посевных агрегатов, однако в регионе нет агрегатов, выполняющих предпосевную подготовку почвы, посев и внесение минеральных удобрений за один проход. Не обнаружено опубликованных работ по данной проблеме. КППА, созданные для других зон, не 'юдходяг к условиям Северного Казахстана из-за отличия свойств почв, системы земледелия и применяемых при этом типов машин и рабочих органов. Также слабо освежены вопросы обоснования схем совмещения рабочих органов на раме орудия этих агрегатов, обоснования конструкта..ных схем и параметров КППА. Известно, что конструктивные схемы и параметры почвообрабатывЯЗощих машин определяются на основе математического моделирования их технологического процесса работы различными методами. Они рассматриваются в трудах В.П.Горячшна, М.Н.Летошнева, И.И.Артоболевского, А.Б.Лурье, Л.В.Гячева, А.ИЛюбимова, В. В. Бледных, Р.С.Рахимова и др. ученых. Метод, разработанный А.И.Любимовьш, Р.С.Рахимовым, В.ГЛнкелевичем на основе положений теории графов в комбинации с матричным исчислением, позволяет учитыить возмущающие воздействия рельефа поля и сопротивления почвы гак двухмерные случайные функции; получать единое описание различных конструктивных схем. машин и единую программу их реализации; проводить машинные эксперименты на ЭВМ со множеством конструктивных схем, что повышает точность результатов, сокращает сроки проектирования к избавляет от дорогостоящих экспериментальных гоисков оптимального варианта. Поэтому данный метод взят за основу при обосновании конструктивной схемы и параметров КППА.

В связи с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

-обосновать схему совмещения рабочих органов КППА с учетом их последействия;

-обосновать конструктивную схему и рациональные параметры КППА; -провести сравнительные испытания КППА; -дать технико-экономическую оценку агрегата.

Во второй главе "Обоснование схемы совмещения рабочих органов, конструктивной схемы и параметров комбинированного агрегата" раскрыты вопросы математического моделирования и представлены результаты теоретических исследований и ? (-'»основанию схемы совмещения рабочих органов, а также конструктивной схемы н триметров КППА. Обоснование схемы совмещения рабочих ор"анов на раме КППА тхшодилось на основе технологического процесса работы агрегата с учетом мкледействш впереди расположенных рабочих органов на тлотность почвы и рельефа ноля. В работе рассмотрена возможность установки различных типов рабочих органов на ' 1»ч1!00брабатываю'.цей и посевной частях агрегата и оценены показатели их работы.

Установлено, что наиболее рациональным по показателям выполнения ротехничесхих требований является совмещение рабочих органов по схеме: стрельчатая лапа - гофрированный диск - клиновидный диск - анкерный сошник - прутковый каток (рнс. 1). В агрегате предусмотрено одновременное внесение фосфорных и азотных удобрений. При выполнении технологическою процесса работы комбинированный агрегат взаимодействует с почвой. При этом качество подготовки почвы и посева, а также величина тягового сопротивления, которые являются выходными дараметрами агрегата, зависят как от внешних входных параметров - р, характеризующих условия функционирования машин (неровности рельефа поля, физико-механические свойства почвы и т.д.), так и от внутренних параметров -X, характеризующих элементы машины (схема агрегата, координаты рабочих органе: и колес, длина прицепа и т.д.). Тогда общую математическую модель можно представить но принципу "вход - выход" (рнс.2):

1 - опорное колесо; 2- стрельчигая лапа; 3- гофрированный диск; 4- клиновидный 5- анкерный сошник; 6- прутковый каток; 7- туковый ян к; 8- семенной ящик.

__ 1 1 1 3= 1 1 1 __

РиЬ.2. Модель функционирования КП11А Здесь А (X) - оператор системы, зависящий от внутренних параметров, определяющих алгоритм преобразования внешних входных воздействий в выходные параметры.

Структура оператора зависит не только от конструктивной схемы шрегата, но и значений внутренних параметров. Поэтому для каждой конструктивной схемы КИПА на этапе проектирования решается вопрос о рациональном выборе параметров, обеспечивающих необходимое преобразование внешних воздействий. Составление математической модели заключается в определении вида оператора системы А(Х). В общем виде а/ |ат представляет собой систему твердых тел, находящихся . во взаимодействии друг с другом через соединяющий их шарнир. Такую систему, представляющую различные конструктивные схемы машин, можно изобразить ориентированным графом, а структуру взаимосвязей полученного графа - матрицей инцидентности. Движение комбинированного агрегата в процессе работы рассматривается в прямоугольной системе координат, связанной с поверхностью поля, которая является инерциалыюй системой отсчета ОХУ2. Положения составляющих элементов машинно-тракторного агрегата в каждый момент Бремени относительно ОХУ2 определяются подвижными системами координат, жестко связанными с этими элементами: о^лг^х^г^х^г, (рнс.З).

Повороты систем координат OjXJYjZj относительно ОХУ2 характеризуются углами: в поперечно -вертикальной плоскости - в продольно-вертикальной - уг в

горизонтальной - 0Г Для шарового шарнира (прицепное устройство), используемого в

агрегате, необходимы все три угла поворота. Задавая последовательно угловые ориентации секциям агрегата в системе С^УД, можно определить положение- агрегата в инерциалыюй системе отсчета относительно ОХУ2 матрицей инцидентности. Агрегат находится под действием системы сил, схематическое изображение которой представлено на рис. 4

Рис. 3. Расчетная схема агрегата в системах координат'

Рис.4. Схема сна, действующих иа секцию орудия: г - радиус-вектор, надраыцаиий <от начала инерциальной системы отсчета к центру масс;

; М1 - главный вектор ■ главный момент внешних сил; г - главный веюч»р и главный момент сил реакции связей; С,. - вектор направленный из центра масс О, до шарнира.

Для составления уравнения движения комбинированного агрегата воспользуемся принципом Даламбера, согласно которому уравнения сил и моментов в матричной форме представляются в виде:

Л =

где т 1- масса ;-ой секции орудия;

I - кинетический момент секции относительно пентра масс;

(1)

(2)

.9 - элемент матрицы шщиденшосчн. I/(юьилсм соотечочвующие преобразования н помучим ураьичпы дим.ення комбинированного шрегата

РТ[1-М -С7х(ш?-Г)] = 0. (3)

Матричное уравнение (3) образует систему скалярных уравнений, соочвекчвуюшую полному числу степени!! стободи орудия. В уравнении (3) конструктивная схема орудия учитывается в киле матриц Т и Р, которые соответственно характеризуют структуру взаимосвязей между секциями и структуру шарнирных связей. Чтобы получии, уравнения движении комбинированного агрегата в явной форме, необходимо матрицы г,С,1,Р\ А? имразшь через обобщенные координаты и их производные:

1-1

I. = -¿Г.О,); (4)

(«1

1.1 м

о

».1 ы

I де ТА ■ элементы обратной матрицы инцидент! оста; 3 - матрица инерции элементов орудия;

О, - вектор относительной угловой скорости орудия относи¡ельно фактора; 0; - сила тяжести секции орудия;

- реакция по"вы на к-ое колесо орудия; Я ^ - силы, действующие на рабочие органы; к), N) - число опорных колес и рабочих органов;

/,»,<?„„ -векторы, направленные из центра масс в к-ое колесо и ¡-ый рабочий орган. При определении структуры силы ¿>(( учитывались деформация опорного колеса.

Силы, действующие на рабочие органы, определялись по известным аналитическим выражениям.

При допущении, что движение комбинированного агрегата изучается независимо о г сил. действующих на него, из обобщенной математической модели можно получить г>щ;м пическуто модель. В общем случае кинематическое уравнение имеет вид:

**(<) = МО, 5)

чи £,,(!) - текущая вертикальная координатак-го колеса 1-ой секции орудия; (0 * профиль рельефа поля под этим колесом.

Физический смысл уравнения (5) состоит в том, что шорные колеса агрегата оемтрывно копируют соответствующие рельефы поля, а рабочие органы не испытывают воздействия от неравномерности сопротивления почвы. Выразив текущие координаты опорных колес через обобщенные угловые координаты, получим кинематическое уравнение агрегата в явном виде:

г* (/>=с)-¿г, [Л-.ФА - >>;«+хл к;<о. ю

ы

где 2„ (/) - вертикальное перемещение трактора:

V,, >, - горизои гальные координаты ¡-го шарнира относительно системы координат; Хл, Ул - горизонтальные . координаты опорных колес относительно системы координат, связанной с ¡-ым шарниром;

ф]>\'"ш Углы поворота агрегата относительно ннерциальной системы отсчета через обобщенные координаты

Вертикальные координаты рабочих органов в каждый момент времени можно определить по выражению:

V) = 'о С) -IX Iх, Ч>*АЧ -У>^"(01 + X» V]С) - У„ <?"„ О). (7)

м

а глубину обработки оцепить из Еыражения:

«л(0 = *„(0-*м(0. (8)

где Xр, У- горизонтальные координаты 1 - го рабочего органа ] - й секции орудия относительно системы

/< ni ¡||<чф|М1 |лмьсфл ишм очшсшслым данною рабочею органа (j-l. ..

Ni

H|'ii uiifioie iciiiiii вершкалитм перемещения трак юра а угловых перемещений шрощц > чи[ииаянсь гип трактора (колесный, гусеничный) и способ соединения агрегата с фактором (прицепной, навесной)- Получение внешних возмущающих факторов изводилось путем генерирования их на ЭВМ но известным вероятностным хирашерисшкам с помощью дапшков случайных чисел. Рельеф поверхности ноля рассматривался в виде случайной функции двух переменных, нестационарной по магматическому ожиданию. Генерирование проводилось по дисперсионным характеристикам полей Северного Казахстана. Для определения сопротивления почвы был рлработан метод генерирования по коэффициентам корреляционной связи, которые получены с помощью обработки дискретных реализаций твердости поля, изменяющейся в направлении движения и по глубине.

Используя обобщенную '«тематическую модель и методы генерировании возмущающих факторов, получали колебания глубины обработки и тягового сопротивления комбинированного агрегата.

На основе обобщенной сигматической и кинематической моделей, методов генерирования возмущающих факторов был создан пакет программ, который позволяет проводить в диалоговом режиме ввод данных и обоснование конструктивных схем н параметров. Пакет программ реализован в среде Turbo Pascal.

Исходными данными при проведении машинных экспериментов служили параметры конструктивной схеш.г агрегага, конструктивные ограничения, параметры трактора, характеристики рельефа поля и сопротивления почвы.

Равномерность глубины обрабо ки почвы и посева можно установить изучением кинематики движения комбинированною агрегата на случайном рельефе поля, которая существенным образом зависит от схемы расположения рабочих органов. По указанному пришаку проводился выбор конструктивной схемы КИПА из возможных схем расположения рабочих орг анон (рис. 5)

Результаты -раввины конструктивных схем по среднеквадратичному отклонению » -

глубины обработки почвы в посева и вероятности выполнения агротехнических требований, полученные с использованием кинематической модели, представлены в таблице 1. . ' , . •

Таблица I

Сравнение конструктивных схем КППЛ по ра8"омсрности глубины обработки.

Помер схемы Средня* глубина обработки, см Среднеквадратичное отклонение, см Вероятность выполнения агротреб., Го

1 7,62 1.13 73,67

2 7,53 1,13 76,3

3 7,30 1,06 83,46

4 7,14 1,01 85,15

5 7,14 1,02 85,14

Ках видно из таблицы, схсмы NN 4 и 5 имеют наилучшие показатели по устойчивости движения агрегата яа задайся глубаяв хода.

Результаты выбора кеяетрукпшяш cr.su с ь.полъзовшшем кинеужшчгской модели подтвгрждгитг я теоретические исследования па ссяо»? обобщенной математической модели. В этом случае ргссгшряггегся влияние расположения рабочих органов па показатели не только гаубгаял с5рс.5отга почвы и посева, по и тягового сопротизлени... Величины сцгисияьи показателей пргдгггзлеиы и табл. 2,

Таблица 2.

Результаты исследопаяля копструкгшии« схем па оОвбщяшоЯ магештической модели.

ПОКАЗАТЕЛИ 1 2 3 4 5

1 .Средня» глубина сбработкя, см 7,70 1М 7,35 7.19 7,21

2 . Срелняжйргппясг откясяяшг, си ио М8 1.14 1,03 1,04

3 .Вероятность выполнения сгротреб., "Л 78,3 80,52 81,451 80,49

1 Среднее значение тягового сопротивления, кИ. ' '' 10,1 10,03 9,9 9,04 9,09

2 . Средпеггеадраптоюе впиоиеяие, кН 0/45 0,43 0,40 0,35 0,36

3 .Вероишрсгь вмполвеша егрогрсА, % 70.5 76,7 78,3 80,2 £0,1

Срззигляе псказжгглей, полученных о помо.дыо различных твтей, пойазшагт их небольшое рзеходщяв. Следовательно, па . язодш&эд зтяяе проекпфшшяя.! иеяееообразт еосаолиовапсж птшгтческсй ик»де,чьго как наиболее простой и удобной. Из тзбя. 2 вядво, что схема N 4 шест ваяяучшие потоа^еля пзустйчиаосш хода по глубине а равномерности тягового сопротивления. Поэтому эта схема мята дая обосновали* основных параметров комбикарсваяияго агрегата (ряс .6): лтшм првпепа

и

i . iJl tO'lbU tiplUtwIiii A" vJUi-ytlulw KUJiiXd Xt. Г.0Ш11И flwt',1* oni»|itll Ul

i..,;i...:.jh и к;итлшцш.и.ш М№.>&»и Л рассюяайл ut ючии прицепа ич nciupa сопротивления (u.c.) aipsis'« /,, рлсюмши or спорною ытеса до нерпою ряда отредышых лад А',; расстояние мешу рядами стрельчатых лап Л, ; рассюяшы между вторым рядом стрел ьчагих лам и радой клиновидных дисков Xрасстояния между рядом клиновидных дисков и рядом сошников Л', ; расстояния между соншикалш и прутковым каском - X,.

•Ддд их нахождения необходимо минимизировать среднеквадратичные итиюнгни* но глубине хода по совокупности величин расстояния между рядами рабочих органов с уче10М ограничений, накладываемых на параметры шрегап атротехиическими требованиями, и н-ключи ть забиваемость рабочих ортанот рас тигельными остатками. При определении параме|ров на конструктивную схему такж< накладываются конструктивные ограничения

П качестве примера на рис .7 и В представлены графики, покатывающие зависимости среднеквадратичных отклонений о г

расстояний: Л'„, А^. Хш,/0, Л-,,. На них видно наличие экстремальных

точек, соответствующих оптимальным параметрам.

С учетом принятых ограничений определены рациональные параметры комбинированного агрегата:/<, =3,2 - 3,4 м; Л'0 = 1,1 - 1,3 м; X,~1,5 - 1,8 м; Л',-05 - 0,6 м;.

-2,3 м; Л", =0,6 - 0,9 м; Аг=0,б-0,9 м; Х3-0,8 - 1,0 м; Х4~0,9 - 1.2м.

В третьей главе "Методика проведенит экспериментальных исследований" приводится описание испытуемого агрегата (рнс. 9), который изготовлеп по обоснованной схеме N 4 и по ее рациональным параметрам, описываются методы и средства измерения выходных параметров, получаемых от внешних возмущающих воздействий на агрегат, согласно требований ОСТов и ГОСТов для машин предпосевной обработки почвы и посева. Для замера тягового сопротивления использовалось тензокольцо, а регистрация колебаний центра масс агрегата в горизонтальной и . мрттсаг.ной плоскостях осуществлялась теизогчселерометрами.

1 "I " ^ =

Рис. 9, Комбинированный агрегат в работе.

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований" приводятся условия испытания агрегата (табл. 3) н результаты исследований. Был проведен посев озимой ржи опытным агрегатом. .

Экспериментальные данные обработаны с целью получения .следующих статистических характеристик; средних и среднеквадратичных отклонений значений величин; автокорреляционных функций и спектральных плотностей. Полученные результаты подтверждают данные теоретических исследований. На рис. 10 представлен график изменения тягового сопротивления агрегата в зависимости от скорости его движения.

ЙМ ..

г н а >

'.¿ЭД Ш

V кн

ш

"а

10

0.) 0,5 0,9 1,3 Х1,Х2.Х}.И

0,3 0,6 0,9 1,2 Х,,Хг,Х3,«

Рис. 7. Зависимость качественных и энер1етических показателей раоош комбинированного агрегата от его параметров.

I, *

К»

ао 6и

о 0,6 1,2 1,8 2,4 3.0 Хш,к

0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 ^.м

Рис. 8 Зависимость качественных показа1елей рабош рабочих органов от длины прицепа и рассюяния между опорными колесами.

Графики тягового сопротивления агрегата идентичны графикам тягового сопротивления почвообрабатывающей части, состоящей из стрельчатых лап И клиновидных дисков, та ость в общей сумме тягового Сопротивления агрегата почвообрабатывающая часть играет определяющую роль. Следовательно, при проектировании комбинированных почвообрабатывакице- посевных агрегатов в плаве энергетических и технологических показателей следует особое' внимание обращать на . почвообрабатывающую часть. Технические характеристики агрегата и сравнительная оценка его с широко применяемой в условиях-зоны комбинированной сеялкой СЗС-2,1 приведены в табл. 4 н 5.

Таблица 3

Условия проведения испытаний:

ПОКАЗАТЕЛИ ЗНАЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Место проведения испытаний АО"ВОСТОЧНОЕ" Брединского района''

Вид работы Обработка почвы и посев

Состав агрегата Комбинированный агрегат

Тип почвы Черноземы южные карбонатные

Рельеф Ровный

Микрорельеф Выровненный

Влажность почвы, %, в слоях, см '

0-10 15

10-20 23,3

20-30 23,1

Твердость почвы; кг/см^в слоях, см

0-10 0,53

я 10-20 1,41

20-30 1,53

Масса растительных остатков, кг/м2 1,67

Высота стерни, см 10-15

Предшествующая обработка Плоскорезная

Дата проведения испытаний Август - сентябрь 1997

5 6 7 8 9 Т.ад/ч

Уис .10. Графики изменения тягового сопротивления (1) шрегата н его дисперсии (2) в зависимости от скорости движения

Таилица 4

Техническая характеристика комбинированного агрегата

ПАРАМЕТРЫ ЗНАЧЕНИЯ

Длина агрегата, мы

в рабочем положении 5800

в транспортном положении 5650

Ширина захвата, м 2,1 •

Рабочая скорость, км/ч 7-8

Производительность, га/ч 0,9-1,1.

Расход топлива, кг/га 3,5-4,0

Удельное тяговое сопротивление, кН/м 9-10

Глубина обработки почвы, см 12-14

Отклонение, см ±1

Глубина посева, см 6-8

Отклонение, см ±0,2

Рельеф после прохода агрегата выровненный

Крошение Р^Р-ФР^ии,мм % > 501< 50 ' ~1,7|~82

Масса агрегата, кг. 1800

Приведенные данные показывают, что показатели технической характеристики агрегата вполне удовлетвори'' ольные. Агрегат выдерживает агротехнические требования по качеству обработки почвы и равномерности глубины хода рабочих органов. Расход топлива^ рабочие скорости и производительность ьмеют оптимальные величины.

Таблица 5

Сравнительная оценка комбинированных машин

ПОКАЗАТЕЛИ СЗС-2,1 КППА-2,1

Длина агрегата, мм 3920 5650

Ширина захвата ,м 2,1 2,1

Масса агрегата, кг 1200 1800

Производительность, га'. 1,0-1,4 0,9-1,1

Коэффициент использования времени смены 0,7 0,7

Равномерность глубины заделки семян, коэффициент вариация, % ±20 ±16

Рабочая скорость, км/ч 7,0-10,0 7,0-8,0

Тяговое сопротивление, кН 12-14 19-21

Базовой машиной, взятой для сравнения, является наиболее часто применяемая в условиях зоны стерневая сеялка СЗС-2,1. Табл. 5 показывает, что предлагаемый комбинированный агрегат по своим показателям ие уступает серийной машине. По качеству работы агрегат выглядит предпочтительнее, чем базовая машина (рис. 11).

да

-■К;'

^■"•ь +г*г- кммда*« 11 <

из&Л

.% Рис. 11. Поверхность, обработанная сравниваемыми агрегатами.

В пятой главе "Расчет экономической эффективности" приведен расчет по затратам - энергии на технологический процесс обработки почвы и посева. Эффективность комбинированного агрегата установлена при сопоставлении материальных и трудовых затрат на проведение работ по традиционной технологии. Применение комбинированного агрегата .позволяет снизить: ' расход топлива на 55%, трудовые затраты на 54%, энергозатраты трактора на 30%.'0бщие затраты снижаются на 32%.

*

Выводы

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Выявлена эффективность внедрения для условий зоны комбинированных почвообрабатывающе- посевных агрегатов на основе анализа почвенио-клиыагических условий Северного Казахстана и технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

' 2. Осуществлен порядок совмещения рабочих органов в агрегате, с учетом их последействия. На этих условиях обосновано рациональное сочетание рабочих органов в такой последовательности: стрельчатая лапа - гофрированный диск -клиновидный диск-сошник • прутковый каток.

3. Обоснованы конструктивная схема и параметры агрегата, по обобщенной математической модели, описывающей технологический процесс на всех этапах работы агрегата с учетом возмущающих факторов (рельефа поля и свойств почвы), близких к реальным. Составление и -ывод множества сложных уравнений с помощью ЭВМ независимо от степени свободы агрегата обеспечивает сокращение сроков проектирования, уменьшение объемов экспериментальных исследований, повышение надежности н качества работы проектируемых орудий, ч о в конечном счете снижает материальные затраты.

4. Обоснована конструктивная схема расположения рабочих органов на раме орудия. С учетом обеспечения минимума тягового сопротивления, выполнения агротехнических требований к предпосевной обработке почвы и посева, а также устранения забивания комьев почвы, растительных остатков между рабочими органами признано целесообразным: двухрядное расположение стрельчатых лап; одно- и двухрядное расположение сошников; однорядное расположение дисков и катка. •

5. Рациональными параметрами комбинированного почвообрабатывающе - посевного агрегата являются следующие: длина прицепа - X „« 1,1... 1,3 м; расстояние от точки прицепа до опорного колеса - Х^™ 1,5.. .1,8 м; расстояние между опорным колесом и клиновидными катками - X1,9. ..2,3 м; расстояние от точки прицепа до центра сопротивления агрегата 3,2..3,4 м; расстояние от опорного колеса до первого ряда стрельчатых лап - X, = 0,5.. .0,6 м; рас лояние между рядами стрельчатых лап -

Х,= О,б...0,9 м; расстояние между вторым рядом стрельчатых лап и рядом клиновидных дисков- Хг =0,6...0,9 м; расстояние между рядом клиновидных дисков и рядом сошников - Л', =0,8...1,0 м;. расстояние между сошниками и прутковым катком - -у4=0,9...,2м.

6. В процессе работы агрегат обеспечивает сохранение заданной глубины обработки почвы и посева в агротехнически допустимых пределах. Отклонение пе превышает ± 3%. Качество крошения: доля частиц размерами меньше 50 мм составляет -82%,

■ размерами больше 5;) мм -17%. Плотность почвы в слое 0 - 10 см равна 1,26 г/см3 при исходной, после плоскорезной обработки -1,40 г/см5, Отклонения-тягового сопротивления не превышают ±2%. Оптимальная скорость движения агрегата 1,9 - 2,2 м/с.

7. Посевы озимой ржи, произведенные комбинированным агрегатом на опытном участке, дали всходы на 1-2 дня раньше, чем обычный посев. По окончании осенней вегетации на опытной участке: высота растений состг.влкл" 13 - 15 см; густота-310 шт/м3; густота стеблей -1230 пгт/м3; па обычном посем соответственно: 9-15 см; 260 пп/м, 1089 шт/м1.

8. Экономическая эффестивность агрегата выявлена прн сравнений с су шествующей технологией проведения посевных работ. Применение комбинированного агрегата позволяет снизоть.тгрямые энергозатраты па 55%; энергоемкость трактора па 30%; общие затраты на 32%.

lio теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мимбеташш К.'Г. К вопросу обоснования конструктивной схемы комбинированных ночиообршагьшшлиих посевных aipeiaion для условий Северного Казахстана //Вестник ЧГАУ, Челябинск, 1997, т.21.

2. Мамбегтлиц К.Т. К структурной оптимизации комбинированною '' ночвообрабачшщоще-иосевнот aipeiaia (для условий Северного Казахстана) //Вестник

ЧГАУ, Челябинск, 1993, т.25.

3. Кокорин А.Ф., Мухаматнурон М М., Мамбеталшт К.Т., Результат экспериментальных исследований комбинированно!.. почвообрабашвающе-носевнот агрегата. //Вестник ЧГДУ, Челябинск, 1993, т.2б.

Подписано к нечаш_____________________

Формат 60x84/16. Заказ _¿iL£b Тираж 100 УопЧГАУ

454080, Челябинск, пр. Ленина, 75.

Челябинский государственный агроинженерный университет

На правах рукописи

МАМБЕТАЛИН Кахим Токушевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕ-ПОСЕВНОГО

АГРЕГАТА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

' /л/

а

'Л,

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Р.С.Рахимов

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент А.Ф.Кокорин

Челябинск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............. 8

1.1. Обоснование возможности применения в условиях Северного Казахстана комбинированных агрегатов.... 8

1.2. Обзор существующих конструктивных схем комбинированных агрегатов......................... 12

1.3. Анализ работ по изучению и обоснованию параметров комбинированного агрегата..............:.......... 17

1.4. Состояние вопроса, цель и задачи исследования..... 20

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ СОВМЕЩЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

КОМБИНИРОВАННОГО АГРЕГАТА........................... 24

2.1. Теоретические основы совмещения рабочих органов... 26

2.2. Обобщенная математическая модель рабочего процесса КПП А.............................................. 37

2.2.1. Разработка математической модели для автоматизированного проектирования КППА................... 37

2.2.2. Представление конструктивной схемы КППА ориентированными графами............................ ... 40

2.2.3. Выбор обобщенных координат и расчетной схемы агрегата........................................ 43

2.2.4. Модель поверхности поля......................... 46

2.2.5. Модель сопротивления почвы...................... 48

2.2.6. Математическая модель агрегата.................. 53

2.2.6.1. Определение радиус-векторов и кинетических

моментов...................................... 59

2.2.6.2. Определение главного вектора, главных моментов

внешних сил................................... 63

2.2.7. Программа для изучения рабочего процесса агрегата

на основе общей математической модели........... 70

2.3. Кинематическая модель агрегата.................... 75

2.4. Программа расчета с применением кинематической модели............................................ 80

2.5. Назначение и состав пакета программ............... 80

2.6. Применение пакета программ......................... 83

2.7. Обоснование конструктивной схемы и рациональных параметров комбинированного агрегата.............. 88

2.7.1. Выбор конструктивной схемы КППА................. 88

2.7.2. Обоснование параметров КППА..................... 93

Глава 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 102

3.1. Экспериментальный КППА, приборы, использованные

при проведении исследований...................... 102

3.2. Методика измерения и регистрации показателей..... 103

3.3. Методика обработки результатов измерений и оценка погрешностей опыта............................... 109

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.......... 112

Глава 5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ................. 125

ВЫВОДЫ...................................................... 131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................ 134

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................. 142

ВВЕДЕНИЕ

Статистические данные последних лет свидетельствуют об уменьшении площади посевов под зерновыми культурами и о снижении их урожайности. Отмечается, что "в результате снижения плодородия почв и несбалансированности удобрений снижается урожайность зерновых на 12-14 ц/га" [1]. Одной из основных причин потери почвой плодородия является несовершенство применяемых технологии обработки почвы и посева. В связи с этим начинают внедряться технологии нулевой и минимальной обработки почвы [2,3] с использованием комбинированных машин, выполняющих несколько технологических операций за один рабочий проход. Значение совмещения операции особенно велико в период проведения весенне-полевых работ. При возделывании сельскохозяйственных культур одним из основных требований к проведению операций предпосевной обработки почвы и посева является их неразрывность во времени. Так, проведение их с разрывом между ними не более двух часов обеспечивает появление всходов на 3-4 дня раньше, чем при промежутке в одни-двое суток [4]. Это объясняется тем, что предпосевная обработка почвы ведет к иссушению ее поверхностного слоя и потере влаги. При последующем проходе сошника сухая почва попадает на дно борозды вместе с семенами, снижая влажность в зоне расположения семян и ухудшая условия их прорастания.

Закрытие влаги, предпосевная обработка почвы и посев одно-операционными машинами обуславливают многочисленные проходы трактора и ходовых колес машин по полю. При этом уплотняется до 60% его площади. Отдельные участки подвергаются трех-девятикратному

воздействию, что снижает на этих участках урожайность зерновых на 10%, картофеля на 50%, сахарной свеклы на 15% [3].

Кроме того, однооперационными машинами полностью не удается загрузить скоростные энергонасыщенные трактора, особенно на полях малых размеров, поскольку увеличение рабочей скорости ограничивается агротехническими требованиями, а увеличение ширины захвата снижает коэффициент использования времени смены. Негативные последствия перечисленных факторов привели в последние 50-75 лет к снижению содержания гумуса в почве на 6-7% [4,1], к распылению ^ верхнего и переуплотнению нижнего слоев почвы. Это в свою очередь повышает склонность почвы к ветровой и водной эрозии. Нарушается оптимальное соотношение твердой (50%), жидкой (25%) и газообраз- j) ной (25%) фаз, при котором почва считается плодородной [5]. Нару- ' шается водно-воздушный режим питания почвы, наблюдаются изрежен-ные всходы сельскохозяйственных культур, интенсивное развитие сорняков и как следствие - низкая продуктивность полей. По современной концепции развития земледелия, технология возделывания сельскохозяйственных культур должна быть высокопродуктивной почвозащитной, влаго-ресурсо-трудосберегающей и экологически безопасной. Такую технологию можно получить несколькими способами, в том числе и применением комбинированных машин [1].

Учеными ВНИИЗХ [4] проводились исследования по выявлению агротехнической роли операций закрытия влаги и предпосевной обработки почвы применительно к условиям Северного Казахстана, где в основном применяется почвозащитная технология. Установлено:

- эти операции не повышают ветроустойчивости почвы;

- отсутствует эффект "закрытия влаги" из-за особенностей южных карбонатных черноземов саморазрыхляться при подсыхании весной и образовывать мульчирующий слой, который препятствует потере влаги;

- из-за короткого периода между операциями сорняки не прорастают, отчего не уменьшается засоренность полей;

- названные операции не оказывают существенного влияния на содержание нитратов в пахотном слое и на урожайность возделываемых культур.

Отсюда можно сделать вывод, что в условиях Северного Казахстана можно обойтись без раздельного проведения закрытия влаги' и предпосевной обработки почвы. Возможным и необходимым является совмещение этих операций с посевом при применении единого комбинированного агрегата.

Поэтому целью данной работы является обоснование конструктивной схемы комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата (КППА) для условий Северного Казахстана и его рациональных параметров.

Объект исследования: технологический процесс работы комбинированного агрегата.

Предметом исследования является зависимость качественных и энергетических показателей работы комбинированных агрегатов от.их конструктивной схемы и параметров.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений, изложена на 141 стр. машинописного текста и содержит 52 рисунка, 17 таблиц; список использованной литературы содержит 80 источников. В первой главе обоснованы и установлены цель и задачи исследования.

Во второй главе описана разработанная методика теоретических и экспериментальных исследований.

Третья глава посвящена, обоснованию схемы совмещения рабочих

органов комбинированного агрегата на основе математического моделирования .

В четвертой главе обоснованы выбор конструктивной схемы комбинированного агрегата и его рациональные параметры.

В пятой главе определяется экономическая эффективность применения комбинированного агрегата.

Научная новизна работы заключается:

- в обосновании схем совмещения рабочих органов КППА с учетом их последействия;

- в обосновании конструктивной схемы и параметров КППА на основе обобщенной математической модели почвообрабатывающих агрегатов в условиях, максимально приближенных к реальным (рельеф поля и сопротивление почвы учитывались в модели в виде двухмерных нестационарных случайных функции).

На защиту выносятся:

- обоснованный вариант совмещения рабочих органов комбинированного агрегата;

- обоснованные конструктивная схема и параметры комбинированного агрегата;

- результаты экспериментальных исследований.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обоснование возможности применения в условиях Северного Казахстана комбинированных агрегатов

Возможность применения комбинированных агрегатов определяется рядом факторов:

природно-климатическими условиями; физико-механическими свойствами почвы; применяемой системой земледелия; целесообразностью совмещения операции.

Северный Казахстан расположен в зоне рискованного земледелия. Климат засушливый, особенно летом. Среднемноголетняя сумма осадков составляет за год 291 мм: летом около 130 мм, зимой - 100 мм [6]. Максимум осадков (60 мм) выпадает в июле. Средняя годовая температура воздуха составляет +1,5°.Средняя температура наиболее теплого месяца (июля) +20,1°, самого холодного (января) -17,4° [7]. Характерные черты климата - затяжная весна, с возвратом холодов, майско-июньская засуха, максимум осадков во второй половине лета,очень короткий послеуборочный период и малоснежная зима с промерзанием почвы до 2,0-2,6 метров. Регион характерен активной ветровой деятельностью (скорость ветра до 15-18 м/с), вызывающей снос снега с полей зимой и пыльные бури весной и летом [8]. Среднее годовое число дней с пыльными бурями составляет 20-21 [7] .

Почвы в зоне - в основном черноземы обыкновенные и черноземы южные карбонатные. Мощность гумусового горизонта составляет 60-65 см, содержание гумуса 3-4%. По механическому составу почвы тяже-

лые (95%) [9]. Плотность изменяется в пределах 1,20-1,40г/см3 [10]Почвы особенно бедны подвижным фосфором [11].

Применяемая система земледелия - почвозащитная. Проводится глубокая безотвальная обработка почвы с целью сохранения стерни и увеличения запасов влаги. Возделывание сельскохозяйственных культур проводится по традиционной технологии. Технологические операции по обработке почвы, посеву и т.д. выполняются однооперацион-ными машинами.

Необходимость совмещения операций при возделывании зерновых культур возникает в силу следующих положений:

1. В регионе испытывается дефицит влаги, летние осадки не обеспечивают потребности культур. Фактором урожайности является только запас почвенной влаги до посева, образующийся за счет осенне-зимних осадков. Особенностью зоны является то, что верхний слой (0-30 см) почвы при предзимнем увлажнении смерзается в "водонепроницаемый монолит", и при жаркой весне влага, образующаяся за счет таяния снегов, большей частью испаряется в атмосферу, не успевая проникнуть глубоко в почву [6]. Следовательно, наиболее продуктивное использование этой влаги является важной задачей.

2. При традиционной технологии возделывания культур многочисленные проходы машинно-тракторных агрегатов по одним и тем же площадям обусловлены. Исследованиями установлено, что при этом только ходовые системы тракторов уплотняют до 80% площади поля. [12,13]. Суммарная же площадь следов колес МТА составляет 100120% площади поля [14], 65-80% площади испытывают воздействие ходовых систем от одного до шести раз, а поворотные полосы (1020%) - от шести до 20 раз. Только 10-15% площади не подвергаются

3

уплотнению. В результате плотность почв увеличилась до 1,4г/см ,

а их твердость - в 1,5-3 раза [13,15]. Повышение плотности пахотного и подпахотного горизонтов приводит к снижению процессов %/ гумусообразования. Так, по данным ВНИИЗХ, содержание гумуса снизилось на 5-6%, что привело к снижению урожайности зерновых культур на 1-1,5 ц/га [9].

В переуплотненной почве нарушаются режимы водного и воздушного питания растений из-за уменьшения микропор размерами 100-300 мкм, которые являются наиболее ценными для впитывания и передви-

3

жения воды и проникновения воздуха. Так, при плотности 1,32 г/си поры таких размеров составляют всего 2-3% объема почвы. Эффективность воздействия минеральных удобрений на плодородие почв также

зависит от плотности почв, например, при плотности 1,25-1,40 3

г/см" эффективность воздействия азотных удобрении снижается в 1,5-1,7 раза [5]. Увеличение плотности и твердости почвы ведет к снижению всхожести семян из-за создания неблагоприятных условий для развития корневой системы, поскольку до 80% их обитает в слое 7-10 см, и лишь 15-20% в слое 10-20 см и ниже. В переуплотненной почве ухудшается качество крошения: частиц размером более 10 мм в верхнем слое содержится 38-45%, в то время как содержание должно быть в пределах 12-15% [16].

Отрицательные воздействия многократных проходов МТА хорошо иллюстрируются табл.1.1 [15,17].

Как показывают приведенные данные, урожай снижается при проходах тракторов всех марок, а особенно - энергонасыщенных колесных тракторов.

Таким образом, сохранение оптимальной плотности почв также стало актуальной задачей.

Таблица 1.1

Влияние уплотняющего действия ходовых систем тракторов на урожайность ячменя при НСР =8,22

Марка Глубина Кол-во Урожайность Потеря

трактора слоя, см проходов ц/га (контроль 38,03) урожая, ц/га

МТЗ-80 0-10 1 3 37,36 31,12 0,67 6,91

ДТ-75 0-10 1 3 35,77 28,37 2,26 9,66

Т-150К 0-10 1 29,20 8,83

1 29,34 8,69

К-700 0-10 3 23 ,97 14,06

6 19,75 18,28

3. Целесообразность совмещения операций обуславливается также и тем, что качественная подготовка почвы обеспечивается за более короткое время, чем при работе однооперационными машинами.

4. Совмещение технологических операций обеспечивает резкое сокращение материальных и трудовых затрат.

Таким образом, для сохранения и повышения плодородия почв необходимо сократить количество проходов машинно-тракторных агрегатов, а это возможно при выполнении нескольких технологических операции за один проход МТА при применении комбинированных агрегатов, которые дополнительно снижают или предотвращают образование эррозионноопасных частиц, сохраняют плотность почвы на уровне

3 3

1,1-1,2 г/см вместо 1,2-1,4 г/см при одномашинных агрегатах.

1.2. Обзор существующих конструктивных схем комбинированных агрегатов

Совмещение технологических операций по обработке почвы за один проход комбинированного агрегата возможно по следующим основным направлениям:

1) совмещение операций основной и поверхностной обработки почвы;

2) совмещение технологических операций поверхностной обработки почвы и химической обработки по уничтожению сорняков;

3) совмещение операции обработки почвы и внесения минеральных удобрений;

4) совмещение предпосевной обработки почвы и посева;

5) совмещение предпосевной обработки почвы, посева и внесения минеральных удобрений.

Все перечисленные направления совмещения операций вызывают определенный интерес, могут способствовать повышению плодородия почв, но в условиях острого недостатка влаги задача наиболее полного использования имеющейся имеет первостепенное значение.

Как было отмечено, показателем уровня влагообеспечения культур в условиях региона является весенний запас продуктивной влаги в корнеобитаемом слое,т.е.единственным условием получения урожая является использование почвенной влаги весной. А каждый проход одномашинных агрегатов в процессе выполнения весенне-полевых работ вызывает бесполезный "выброс" этой дефицитной влаги, и при значительных разрывах между операциями подготовки почвы и посева семена попадают в пересушенный слой почвы. Применение же комбинированных агрегатов обеспечивает неразрывность проведения операций

по закрытию влаги, предпосевной обработке почвы и посеву и создает условия для эффективного использования влаги и соблюдения агротехнических требований.

На эффективность использования почвенной влаги в период всходов влияет обеспеченность почвы фосфором, недостаток которого в зоне известен [18]. Следовательно, необходимо производить при-посевное внесение фосфорных удобрений.

На основании изложенного можно заключить, что в условиях Северного Казахстана совмещение операций предпосевной обработки почвы, посева и внесения минеральных удобрений имеет определяющее значение.

Комбинированные агрегаты для совмещения предпосевной обработки почвы и посева можно разделить на несколько основных типов: комбинированные агрегаты, основанные на последовательном сочленении машин и оруди