автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров рабочих органов культиватора для паровой обработки почвы

Научно-производственное объединение по сельскохозяйственному машиностроению НПО ВИСХОМ

РГ6 00

^ ( пак 1993

На правах рукописи

БСХСШШ Кайрат Дкадыгерович

УДК 631.331.5.02.001.2

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАН® КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ПАРСВСЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диосертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по сельскохозяйственному машиностроению (НПО ШСХОМ)

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

Защита состоится "-/4 " 1993 г. в часов

на заседании специализированного совета Д 132.02Л1 Научно-производственного объединения по сельскохозяйственному машиностроению НПО БИСХОМ по адресу: 127247, г. Москва, Дмитровское шоссе, 107.

| С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ВИСХОЫ.

Автореферат разослан 1993 г.

доктор технических наук, профессор И.М. Панов

доктор технических наук, профессор П.Н. Бурченко;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В. А. Шмонин

ГСКБ по противоэрозионной технике (г. Целиноград).

Ученый секретарь специализированного совете, доктор технических наук, профессор

А.А. Сорокин

Посвящается моим родителям

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В засушливых регионах страны пар яв-!лявтся одним из важнейших средств создания благоприятных почтенных условий для получения высокого урожая. Высококачественная обработка парового поля направлена на сохранение вла-|ги в почве, повышение плодородия путем систематической борь-'бы о сорными растениями и накопления в почве органических веществ в усвояемых для растений формах. Однако применяемые в настоящее время на обработке паров культиваторы не позволяют раскрыть полностью потенциальные возможности парового поля: дают гребниотую поверхность, перемешивают и выворачивают вла1-жиые слои почвы, не полностью подрезают сорные растения.

Одним из перспективных направлений•обработки паров является применение почвообрабатывавдих орудий с рабочими органами на упругих стойках, которые позволяют получить высокую отепень крошения почвы при минимальных энергозатратах, выровненную поверхность поля, исключают забивание растительными остатками и перемешивание слоев почвы. Поэтому изыскание и обоснование параметров рабочих органов и типа упругой отойки для паровой обработки почвы являются актуальной и важной задачей. Работа выполнялась согласно отраслевым планам департамента "Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение" Мин-прома РФ и программе ГНТН "Высокоэффективные процессы производства продовольствия".

Цель работы. Обоснование параметров рабочих органов парового культиватора, обеспечивающих при минимальных энергозатратах высокую степень крошения лищминимальном выносе нижних слоов почвы на поверхность поля и полное подрезание сорной растительности.

Объект исследования. Различные варианты рабочих органов на упругих и подпружиненных отойках, макетный образец парового культиватора.

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на положениях земледельческой механики и математическом моделировании взаимодействия колеблющегося рабочего органа с почвой. Оптимизация параметров рабочих органов и режимов

колебаний упругой стойки осуществлялась методом нелинейного программирования, а также с использованием корреляционного, и опектрального анализов. Экспериментальные иоследования ■включали лабораторные исследования в почвенном канале и лабораторно-полевые иопытания рабочих органов о использованием тензометричэских методов и средотв измерений. Обработка результатов исследований проводилаоь на ЭВМ методами математической статистики.

Научная новизна. Установлено, что качественные показатели работы культиватора на обработке почвы под пары могут быть существенно улучшены путем применения упругих стоек о оптимальными амплитудно-частотными характеристиками. Получены 'аналитические зависимости, позволяющие определять:

частоту и амплитуду колебания рабочего органа, при которых возможно снижение тягового сопротивления;

оптимальные конструктивные параметры стойки по критерию минимума тягового сопротивления;

удельные энергозатраты на процесс крошения почвы о учетом качества выполнения технологического процесса, в том числе степени крошения почвы, средневзвешенного диаметра почвенного комка и площади поверхности вновь образованных комков;

зависимость агротехнических и энергетических показателей работы парового культиватора от параметров и режимов колебаний рабочих органов.

Практическая ценность. Определено влияние упругих рабо-|чих органов на качественные и энергетические показатели обработки почвы под пары.^ Созданы более совершенные рабочие органы паровых культиваторов, обеспечивающие повышение производительности, онижеяие тягового сопротивления и повышение ка-чесува обработки почвы. Новизна технического решения конструкции рабочего органа парового культиватора подтверждена положительными решениями о выдаче авторского свидетельства (заявка № 54897793/15 от 27.06.91).

Реализация результатов исследований. Результаты диссертационной работы-по параметрам рабочих органов паровых куль-, тиваторов приняты СКБ завода "Целшюградсельмаш" и ГСКБ ПЭТ (г. Целиноград). Опытный образец.парового культиватора полу-' чил положительную оценку на хозяйственных испытаниях в "совхозе

"КазЦИК" Целиноградской области Казахстана. Методика экспериментальных исследований принята Целиноградским СХИ для использования при проведений испытаний и исследований почвообрабатывающих рабочих органов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на технических совещаниях СИЗ завода "Целироградсельмзш" (1990-1992 гг.)г на научно-техлпческоД конференции профессорско-преподавательского состава ЦСХИ . (г.Целиноград, 1991г.), на секциях НТС ВИСХОМа (г. Москва, I990-1992 гг.).

Публикация результатов исследований. Основные положения и результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах объемом 2,5 п.л. и положительном решении на выдачу авторского свидетельства на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка ис польз ом к-пой литературы (121 наименования), изложена па' 234 страницах, содержит 15 таблиц, 104 рисунков и ГЗ приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ тенденций развития рабочих органов (РО) культиваторов для обработки почвы под пары и рассмотрена агротехническая эффективность их использования. Анализ исследований,проведенных Г.А. Рябцовым, Е.Л. Кондратьевым, С.В. Левицким, И.В. Игнатенко, В.П. Базаровым, Н.М.Ибрагимовым, A.A. Завракновым и др.,показал, что максимальный эффект достигается в случае, еелн РО почвообрабатывающих машин совершают автоколебания. По результата;.! проведенного анализа выдвинута рабочая гипотезаг заключающаяся в том,что максимальные энерго- и агроэффокты достигаются в случае приближения максимума рабочей частоты колебаний РО к параметрам собственных колебаний системы "стоЯка-ляиа". Для достижения поставленной цели и подтверждения достоверности выдвинутой гипотезы необходимо было решить следующие задачи:

теоретическим путем, определить амплитудно-частотную характеристику колебании РО на упругой стойке, которая позволя-

5

от снизить тяговоо сопротивления при минимальном выносе нижних слоев почвы;

установить зависимости, определяющие режимы эффективной работы РО на упругой стойке;

разработать метод энергооценки работы РО с учетом отепвг ни крошения почвы РО;

подтвердить экспериментально достоверность результатов теоретических исследований;

спроектировать и изготовить РО на упругой отойке для обработка! почвы под пары, провести сравнительные исследования с серийным орудием и дать технико-экономическое обоснование эффективности их применения.

Во второй главе дан анализ процеоса отрыва и перемещения почвы по рабочей поверхности колеблющегося клина; иосле-дован процеос силового взаимодействия РО о почвой; рассмотрен процеос крошения почвы РО.

Особенности паровой обработки почвы требуют, . чтобы движение почвы по рабочей поверхности клина происходило без под-г брасывания, что позволит исключить перемешивание слоев почвы и выноо нижних влажных чаотиц почвы на поверхность поля.

Полагаем, что колебание РО происходит в продольно-вертикальной плоскости .

На движение плаота почвы дополнительно оказывают влияний силы инепдии колебательного движения Р^ - ГП(л/а^1П(&)£) и /Т, =ТП(Щ>51Л kot,, которые необходимо учитывать при определении условий отрыва и перемещения почвы (рис. 1,а).

Приняв ряд допущений, каоакщихся постоянства $изико-мэ-ханических свойств почвы и параметров колебательного процеоса, определим уоловия, при которых почва будет двигаться без Ьтрыва от рабочей поверхности клина

^ССб Ос < Ьсовсп 5ЬП (Л,, (I)

или

Р0<Рп

и уоловия, при которых оалы инерции будут стремитьоя сдвинуть частицу'почвы вверх по плоскости клина

Р^ЬТНЛ,(Я > Ру+вЫПСС, (2)

Ш Р -7Р

"с "т.

Pec. I. Схема к определению условия перемещения и отрыва почэы на колэблвдеыся клине:

а) схема слл, действующих на частицу почвы;

б) график зависимости Рс - = У (&>) и Рщ-/ (&>);

в) гразик зависимости /■<> = f и Рп = f {0J )

Определив значения оил, входящих в неравенства (I) и (2), и приняв 56/7 {Cüt) = I, после преобразования получаем условие сдвига частицы почвы вверх по рабочей плоскости клина:

j[(Jasirtci+gcos& -afficoscx.<tJbcostfL+of&$iTidi (3) И условия отрыва:

- (jcascK+o&isin(K -rofßcosd^, (4)

где В - сила.тяжести материальной точки почвы;

<?С - угол крошения;

у - коэффициент внешнего трения;

О)-круговая частота колебания клина; а и 8 - амплитуды колобания клина.

Графическое решение неравенств (3) и (4) при а = 6 -0,005-0,04 м, у = 0,5, <Л = 6° представлены на рисунках I |Сб и в). Для принятых значений амплитуд характер протекания |сривых выражения (3) показывает, что чем больше амплитуда кот Яебания РО, тем меньше минимальное значение частоты колебания, при котором начинается одвиг почвы. Точка перооеченкя кривых! на графиках определяет минимальное значение частоты колебания, нинсе которой силы, препятствующие движению почвы '(#»»),.будут дошнировать над сдвигающими силами (Рс ). С уменьщением амплитуда колебаний минимальное значение частоты увеличивается. Так, еоли а - 0,04 м - 0)тс„= 1,8 Гц, если а = 0,002 м . -

0)тСп= 6.8 ГЦ.

Точка пересечения кривых на графике (рио. 1,в) определяет минимальное значение чаототы колебания, выше которой оилы,! Ьтремящиеся оторвать чаотицу почвы от рабочего органа (Р0) , . будут превосходить силу, отремящуюся прижать частицу почвы к рабочей поверхности клина (Р/j ), и тем самым споооботвуадие ■ выносу нижних слоев почвы на поверхность поля. С уменьшением амплитуды минимальное значение частоты будет увеличиваться-и при а = 0,005 м достигает примерно 7 Гц.

Сравнивая оба графика видим, что частоты, при которых выполняются условия отрыва частиц почвы, перекрывают допустимые частоты, обеспечивающие сдвиг частиц почвы, т.е. выполняется требование агротехники парового поля по минимальному перемещению частицы почвы из нижних влаяных слоев почвы на поверхность поля.

"При "анализе силового взаимодействия колеблющегося* РО с почвой исхода,1 из того, что чаотицы почвы движутся по рабочей, поверхности клина без отрыва и рассматриваем случай, когда си-|лы инорции стремятся сдвинуть частицу почвы вверх по рабочей Поверхности клина. Движение частицы почвы вниз к лезвию РО |Н9 рассматриваем, так как допускаем, что подпор со сторона ¡недеформированной почвы но позволяот почвенному элементу сойти вниз к лезвию. Составам систему уравнения равновесия для колеблющегося РО, взаимодействующего с почвой:

(Ех-Рзсл(<я+Ч>)+Р$-а+г£са501 -/Ъ6псс/г~ О; ЕУ-Рсо8(л+ч>;-р^-р-рсоял/г -р^ыпся-о. (5>

Определив значения сил, входящих в выражение (5) к проектируя их на гоордшштннс оси X и У, найдем тяговое сопротивление РО при движении в почвенной среде:

к.(ЬВ1^о6 огзьп<л)+ф ЩШа^ш/Ы}-

а а

Где Ь - глубина хода РО;

В п С - соответственно ширина захвата и длина клина; объемный вое почвы;

I/ - скорость движения;

' К, = ¿р («Л + </>); <р - угол трения ( ср = 26°30').

В выражение (6) входят амплитуды (а и в) и частота коло-бания РО в квадрате {й)г), что указывает на существенную зависимость тягового сопротивления РО от ашиштудно-частотной характеристики колебаний.

Результаты расчетов зависимости.(6) представлены в виде кривых (рис. 2,6, виг), из которых видно, что тяговое сопротивление РО о увеличением частоты и амплитуда колебании уменьшается. При этом более интенсивное влиянно на сникенне тягового сопротивления оказывает частота колебания РО.

На основании полученной зависимости (6) для тягового сс-пр';'глг>лгг!:гя была проведена оптимизация кинематических, геометрических и технологических параметров РО по критерию минимума тягового сопротивления.

~и и М

Р.пН ----, ■ ,

<*.»• ! ( В,/!»

«4 ;а чш 0,03

о.а Я'№01 6*^00 —— 0,07

о.а ш -—0.К В'ИЛ

в» • в'МО „ ___^----" 0,01.

т и и Цтц

ъ

В'ПЗя а-ЫйЗн

дгк ^-""Г

: —

"го 35 м И'к 2

Рис. 2. Определение тягового сопротивления рабочих органов при колебании:

а) охема сил, действующих на частицу почвы;

б) изменение тягового сопротивления РО в зависимости от ширины захвата, при а) = 5 Гц, а = в = 0,03 м;

в) изменение тягового сопротивления РО в зависимости от амплитуды колебания;

г) изменение тягового сопротивления РО в зависимости от час-, тоты колебания;

—- неколеблющийся РО; '----- колеблщийся РО

Зависимость Р (Л а , со ), полученная при Глубине [обработки 0,05 м, плотности потаиу> = 1,2 • Ю3 кг/т3, угле ¡крошения ОЬ - 6° и длине рабочей поверхности клина I =0,05 м, 'была аппроксимирована о помощью параболической сплайн-функ-щш и получено следуадео регресбионное уравнение:

Р = ¡ЗНХ.Хз^--3.5Х,, (8)

где - ширина захвата РО; - скорость движения;

Хд - амплитуда колебания;

Х^ - частота колебания.

Задача оптимизации данной целевой функции является задачей нелинейного программирования, заключающаяся в поиоке ми» нимума численным методом Хука-Днивса.

р{в, а. со) /»¿л. о)

В результате решения исследуемой целевой функции бнли получены следующие оптимальные значения параметров: частота колебания а) «= 7,5 Гц, амплитуда колобанпя О - 0,02 м, ширина захвата РО В = 500 мм, скорость движения V = 1,2 м/с.

Полученные оптимальные значения параметров амплитуды4 колебаний а и частоты (У зависят как от режимов обработки почвы, так и от параметров самой стойки. Рассматривая вмеото параметров колобатольного движения (Т л Ы их отатистичеокие аналогии - дисперсию угловых отклонений и дисперсию скорости отклонений, определены оптимальные значения момента инерции .7 и жесткости С упругой спиральной стойки.

Целевую функцию оптимизации параметров упругой отойки (жесткости С и момента инерции 3 ) мокно запиоать в следующем виде:

I ~ (С*-с}*+ (3"-<7/— ггк/г. (Ю)

Согласно результатам исследований В.Ф. Клейна оптимальные значения динамических параметров РО при обработке почвы на глубину 6...16 см, позволяющие опизить тяговое сопротивление на 25%, принимали следующее значение £** = 0,5 кН/рад; 3*5,6 кг'М^. При вычислении момонтов инерции сложных фигур, какой является рассматриваемая упругая стойка, ее обычно разбивают на отдельные элементарные учаотки, моменты инерции которых легко можно определить. Тагам образом, момент инерции опи-

ральной стойки определяется выражением: УЫ

где $с - площадь поперечного оечения € -го учаотка отойки: - угловая протяженность с -го учаотка;

у>о. - полярный угол начала I -го учаотка.

Жеоткооть стойки нйходам из выражения:

С - № + Л (12)

где ^{У) - радиуо-воктор прямолинейного учаотка отойки и - двойной спирали;

ДХ и &У - горизонтальное и вертикальное перемещение носка РО.

В результате решения полученных выражений на ЭВМ было найдено значение отороны квадратного поперечного оечения отойки Впцы. 0,03 м при ширине захвата рабочего органа В = 600 мм.

При изучении процесоа крошения почвы была использована гипотеза проф. Г.И. Покровокого о том, что разрушение материала происходит при определенном количестве энергии, поглощенг ном единицей объема вещества, В случае, когда РО в почвенной среде оовершает колебательное и поступательное движение.^ полный поток энергии, передаваемый РО в почву имеет вид:

Е = £а*Ек (13)

где у? - плотность среды;

6 - площадь рабочей поверхности клина;

С - продольная окорость волны напряжения;

t - время.

Количество энергии, поглощенной единицей объема вещеот-, ва есть не что иное, как отношение потока энергии ко времени, в течение которого произошло поглощение энергии:

(14)

Удельный показатель поглощенной анергии при работе колеблющегося РО определяется выражением:

7 м гнсоься.

где И/ - объем обработанной почвы;

И - глубина обработки;

(Л - угол крошения.

Анализируя качественную сторону явления, выражение (15) можно предотавить в виде:

о - Ск(г?г+ага)с), (16)

пР

где Ск = - коэффициент, зависящий от овойств почвы,

' глубины обработки и формы рабочей поверхности клина.

Почва является полидисперсной и неоднородной средой,учитывая это могло принять, что характер распределения прочностных связей, как принципиально положительных величин, соответствует закону распределения случайных величин Максвелла. Учитывая характер распределения в почло прочностных связей, критическая величина поглощенной-энергии в различных точках пласта будет отличаться от средной. 1ю аналогии о гипотезой В.В. Кацыгина плотность распределения критического значения поглощенной энергии мокно выразить формулой:

р((}) - (п)

Степень крсиолкя равна отношению вероятного количества точок контакта, в которых критическое значение величины удельной поглощенной энергии вика текущего, к количеству всех точок контакта, т.е.

, А -а.™(■&-)* к^г.м-юг/ае (18)

Поело решения и подстановки значения ^ имеем

' V . (19

Обозначим степень крошения почвы при скорости обработки I м/с без колебаний через , тогда

или

1п !

После подстановки окончательно получим

Результаты расчетов по определению степени крошения поч-|вы для двух значений - 0,5 и 0,25 о 'колеблющимися и не-

колеблющимися РО показаны на рис, 3. Анализ полученных данных показывг.ет, что при одной и той хе скорости поступательного движения колеблющиеоя рабочие органы позволяют получить большую степень крошения почвы.

В третьей главе изложены програша и методика окопорв-рентальных исследований, обоснована методика лабораторных исследований, описаны лабораторные установки, техника измерений, приборы.

Ооповной целью экспериментальных исследований являлась Проверка теоретических положений и выводов, а таюхе получения сравнительных характеристик новых и серийных РО. Для проведения экспериментальных иооледований было изготовлено двенадцать вариантов РО, устанавливаемых на упругие стойки культа*; ваторв КПЧ-4-5,4 и на стойку культиватора-КПЭ-3.8А,о затяжкой пружин на I и 5 кН. Ширина захвата РО была равна 410,500, ?700 и 1000 мм.Для исследования оиловых характеристик экспёри-ментальных РО в зависимости от конструктивных'и кинематических »режимов работы была разработана экспериментальная установка. ,

Обработка результатов иооледований проводалаоь на ЭВМ Методами математической'отатиотики и теории случайных процессов.

В четвертой главе приведен 'анализ результатов лабораторных и полевых исследований. Исследойания новых РО проводились В оравнении о контрольным серийным РО культиватора КПЭ-3,8А.

15

рио. 3. Изменение степени крошения К^ почвы в зависшлоотп

от скорости движения :

----- колеблющийся рабочий орган;

—-- неколеблющийся рабочий орган

Результаты тензометрических испытаний показали, что РО ияри-ной захвата 410 мм (лапа КПЗ) с шириной хвостовика лаки 30 ш, устанавливаемый на упругую стойку КПЧ, позволяет ¡снизить тяговое сопротивление на 34,6...26,9$ по сравнению о серийным РО (рис. 4). Снижение тягового сопротивления объясняется теп, что при колебательном движении РО возрастает интенсивность процесоа треяденообразования в слое почвы перед лапой. Установка. оерайной лапы КПЗ о хвостовиком 50 мм на жесткую отойду КПЗ (без пружки) ведет к увеличению тягового сопротивлении на 9,61...28,2% в сравнении о контрольным вариантом.

При ширине захвата РО равной 500, 700 и 1000 мм тяговое сопротивление растет пропорционально ширине захвата. В случае уотановки этих РО иа жесткую стойку КПЗ тяговое сопротивление (при IГ = 1,2...3,4 и/о) в сравнении о упругой стойкой увеличилась соответственно на 68; 71 и 76$.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что установка РО на упругие или подпружиненные стойки позво-,)шет снизить тяговое Сопротивление по оравнсшш,с серийным РО. результаты опытов близки к теоретическим предпосылкам о возможности снижения энергоемкости процесса почвообрабо'.ки при колебании РО.

1 1.5 Я ß.5 3 V,ti/e

Рис. 4. Зависимость тягового сопротивления РО душ вариантов

рабочих органов:

I - серийный (контрольный) вариант рабочего органа;

4 - стойка КПЗ без пружин о лапой КПЗ, ширина хвос-

товика 30 мм;

5 - то же с шириной хвостовика 50 мм;

9 - стойка КПЧ о лапой КПЗ с хвостовиком 30 мм.

Результаты исследований процесса крошония почвы показали, что наибольшая степень крошония почвы (84,2...92,1$) наблюдалась у лапы КПЗ с хвостовиком 30 мм, устанавливаемой на :упругую стойку КПЧ (рис. 5). Рост показателя крошения почвы объяоняетоя тем, что происходит большее поглощение онергшз слоем почвы перед лапой за счет колебания РО. Наименьший показатель степени крошения почвы наблюдался в случае установки лапы КПЗ на жесткую стойку КПЗ.

При уотановке РО шириной захвата 500, 700 и 1000 мм на жесткую стойку КПЗ прирост степени крошения почвы составил 16,1...4,3#. В случае установки ainx ке РО на упругие стойки КПЧ наблюдался больший прирост степени крошения почвы, который составил 21,3...5,1$. В результате исследований установлено, что максимальное крошение почвы достигается при установке РО на упругие-стойки КПЧ.

Другим показателем крошения почвы является площадь поверхности вновь образующихся почвенных комков. Наиболее низкий показатель образования новой поверхности комков

наблюдалоя в олучае установки 'лапы КПЗ о хвостовиком шириной 30 мм на жесткую стойку КПЗ. И, наоборот, более высокий показатель имел место в случае установки лапы КПЗ с хвоотозиком ;30 мм на упругую стойку КПЧ (рис. 5). При сравнении о контрольным вариантом в первом случае происходило снижение образования новой поверхности комков на 14,2...16,7$, а во втором - наблюдался рост на 20...23,7$. Аналогичный процесс наблюдался при установке РО различной шириной захвата на кеот-¡кую стойку КПЗ и упругую стойку КПЧ.

Энергоемкость процесоа крошения почвы оценивалась показателем удельного расхода энергии на единицу вновь образованных поверхностей комков. Исследования показали, что наименьшие удельные энергозатраты имеют место в случае установки лапы КПЗ о хвостовиком 30 мм на упругую отойку КПЧ. На пяти скоростных режимах этот показатель изменялся в пределах 1,4...25,8 Вт/м2. В сравнении о контрольным вариантом РО ( ^ = 15,1...44,2 Вт/м2) наблюдалось уменьшение энергозатрат на 24,5...41,6$ (рис. 6). В случае жесткого крепления РО удельные затраты энергии на образование новой поверхности ком-¡ков составили 12,9...49,8 Вт/м2. В оравнении о контрольным [вариантом имело меото незначительное онижение энергозатрат На 14,5$ при низких скоростях движения, но о увеличением око-рости движения наблюдается рост удельных энергозатрат на 12,6%. Изменение ширины захвата РО также оказывает влияние на удельные энергозатраты. Так, при увеличении ширины захвата РО от 600 до 1000 мм и уотановке их на жесткую стойку КПЗ удельные энергозатраты находились в пределах 19,4...64,1 Вт/м2 ( при (Г = 1,2...3,4 м/о).

Результаты опытов показывают, что тип стойки сказывает

значительное влияние на удельные энергозатраты и на процесс образования новой поверхности комков. Так, в случае установки РО различной шириной захвата на упругую стойку КПЧ в сравнения с жестким креплением на стойку КПЭ наблюдалось уменьшение удельных энергозатрат на 39,4...54,2%; 49,7...61,3$ и 52,I...57,7%.^

Рис. 5. Зависимость степени крошения К™ почвы и площади поверхности вновь образованных комков для вариантов рабочих органов:

I - серийный рабочий орган;

4 - стойка КПЭ без пружин с лапой КПЭ (ширина хвостовика 30 мм);

9 - стойка КПЧ с лапой КПЭ (ширина хвостовика 30 мм)

¡Рис. 6. Зависимость удельных энергозатрат на процосо крошения почвы для вариантов рабочих органов:

I - серийный рабочий орган;

4 - стойка КТО без пружин о лапой КПЭ (ширина хвостовика 30 мм);

9 - стойка КПЧ с лапой КПЗ (ширина хвостовика 30 мм)

Анализ результатов качественной и энергетической оценки, показывает, что установка"РО на упругие стойки типа К(]Я позволяет увеличить отепень крошения почвы, более интенсивно во-'дет к увеличению образования новой поверхности почвенных комков, при этом расход энергии на образование новой. поверхноо-; та комков был наименьшим в сравнении о другими вариантами РО;

Исследования чаототных характеристик системы "стойка-ла-Ьа" в рабочем положении при заглублении в почву проводились тензометрическим методом.

Предварительно была определена собственная частота коле-, ,бания сиотемы "стойка-лапа". Для стойки КПЧ и стойки КПЭ с ¡затяжкой пружин на I и 5 кН собственная частота 'колебаний находилась ? пределах 9,61...33,3 Гц. Закрепление на стойку ЮН рабочих органов различной, шириной захвата (410, 500, 700 и .J000 мм) ведет к уменьшению частоты собствояных колебаний до 6,25...4,61 Гц. В случае стойки КПЭ с затяжкой пружин на I и 5 кН при закреплении РО различной ширины захвата часг* JTa собственных колебаний находилась в пределах 20,1...7,1 Гц.

В результате наследования собственных колебаний систем "стойка-лапа" установлено, что на их'частоту оказывают влия-г ние как упругие характеристики самой стойки, так и величина приведенной массы лапы, закрепленной на упругой стойке.

Статистическая обработка осциллограмм колебания системы "стойка-лапа" при движении в почве проводилась на ЭВМ по опе-¡циальной программе на основе теории случайных процессов. Бы-,ли получены графики нормированной корреляционной функции изменения частоты колебания системы. Характер протекания кри-|вых показывает, что для стойки КПЗ с затяжкой пружин на 5 кН |имеется наименьшая корреляционная связь в сравнении о други-¡мк вариантами РО, а время корреляционной овязи ооставило 1,2с. ¡При ослаблении затяжки до I кН время корреляционной связи несколько увеличилось и составило 2,1 о. Для стойки ШН время ¡корреляционной связи процесса занимало наибольший интервал ¡времени и ооставило 2,5 о. Увеличение времени корреляционной, ¡связи ведет к оуженшо полосы основных частот в спектре чао-|тот случайного колебательного процесса.

Корреляционная функция колебательных процессов для рассматриваемых вариантов систем при увеличении глубины обработают (до 10 см) и скорости движения (до 1,82 м/с) ведет к уме-, 'ньшению времени корреляционной связи и, следовательно,к растягиванию полоои основных частот в спектро частот процесса.

Корреляционная функция случайного колебательного процесса для упругой стойки КТО показывает, что с течением времени ¡кривая переходит в гармоническую, практически с постоянной '^амплитудой и частотой, что свидетельствует об автоколебательном характере движения F0. Для вариантов системы "отойка-ла-|па" в ооставе стойки КПЗ с затяжкой пружин на 5 кН, характер протекания кривой корфункции указызает на нестационарный колебательный процесо без каких-либо периодических составляющих.

При ослаблении затяжки пружин стойки КПЗ до I кН наблюдается периодический характер протекания кривой корфункции. Однако при больших значениях времени периодичность кривой нарушается.

Спектральный анализ колебаний системы "стойка-лапа" при движении в почвенной среде показал, что при увеличении скорости движения и глубины обработки спектральная плотность ко-

лебательного процесса для стойки КГГЧ сосредоточена з относительно узком диапазоне частот (рис. 7). При этом чаототы.при которых достигаются максимумы спектральных плотностей приближаются к собственной частоте колебания системы.3 случае стойки КТО о затяжкой пружин на I кН также имзет место сосредоточенность спектра в узком диапазоне частот, но здесь также присутствуют побочные частоты, которые нарушают стабильность колебательного процесса. При увеличении степени затяжки пружин до 5 кН спектральная плотность процесса четко показывает, что колебания стойки становятся более интенсивными, полоса основных частот процесса увеличивается, а сам процесс становится все более нестабильным. Спектральная плотность колебательного процесса для стойки ШИ с рабочими органами различной шириной захвата также сосредоточена в узком диапазоне^ ¡частот и сохраняет узкую направленность независимо от кинематических и технологических режимов работы.

Рассмотрение спектральных плотностей колебательных про-' дессов системы "стойка-лапа" свидетельствует о несомненной! ¡зависимости их от упругих характеристик стоек.

. Полученные результаты корреляционного и спектрального 'анализов подтверждают выдвинутую гипотезу о том, что максимальный энергетический и качественный, эффект достигается в |олучае приближения максимума рабочей частоты РО к параметрам; Собственных колебаний системы "стойка-лапа".

В пятой главе приведены результаты агротехнических исследований макета парового культиватора с новыми РО в сравне-¡НИИ с серийным культиватором КПЭ-3.8А. Результаты агротехнических исследований показали,что на выровненяость поверхности поля существенное влияние оказывает ширина хвостовика РО. (Так,в случае установки л&пы КПЗ с хвостовиком 30 мм на жест-, ¡кую стойку КПЗ и упругую стойку К1Ш, выровненнооть поля на; ,93,4 и 46,5# выше,чем у серийного орудия. Данные о равномерности глубины обработки показывают, что для лапы КПЗ с хвостовиком 30 мм на упругой, стойке КПЧ равномерность глубины обработки почвы составила 1,53 см, что несколько ниже огродо-•'пуска (+1,5см).

Анализ результатов испытаний по определению гребяистос-.ти поля показывает, что уотановка лапы КПЗ на упругуь с то:! к;/ 1КШ позволяет получить наименьшую гребнистость поля, что на

<

39,5$ выше"контрольного варианта орудия.

Раочот экономической эффективности проводили в соответ-; .ствии о общей методикой определения экономической эффектив-

Рис. 7. Нормированные спектральные плотности колебательных процессов упругих стоек с лапой КПЗ (В = 410 мм) 7 при /7=5 см

- при ¡Г - 1,2 м/с;

------- при [Г = 1,82 м/с

|н0оти новых сельскохозяйственных машин. В результате расчетов установлено, что при использовании парового культиватора ¡с новыми РО годовой экономический эффект составляет 4934,5 |рублей в год (в ценах 1991 г.). Эффект достигается за очет увеличения производительности, при этом раоход топлива снижается на 5,6%^металлоемкость - на &,Э% и затраты труда -на ¡5,89$.

оецие вывода

1. На оонове анализа тенденций, раззитпя орудий и рабочих ¡органов культиваторов, применяемых на обработке чистых,паров, установлено, что высокое качество паровой обработки почвы о минимальными энергозатратами обеспечивается о применением РО на упругой или подпружиненной стойках.

2. Из теоретических исследований перемещения почвы по ^поверхности колеблющегося РО найдены аналитические зависимости, связывающие его тяговое сопротивление, геометрические и кинематические параметры и физико-механические свойства почвы. Эти зависимости показывают, что интенсивное влияние на снижение тягового сопротивления оказывают амплитудно-частотные характеристики. Однако частота и амплитуда колебания имеет ограничения в росте из условия перемещения и не отрыва почвы при движении по колеблющемуся РО. Поэтому чаотота колебания должна находитьоя в пределах от 2,5 до 7,5 Гц, а амплитуда - в пределах 0,002...О,05 м.

3. Решением целевой функции Р(В, У, й на минимум тягового сопротивления о помощью нелинейного программирования Хука-Дкивса получено, что оптимальные параметры РО л режимы колебания составляют: ширина захвата лапы В = 500 мм, поотупателышя окорость lT « 1,2 м/с, амплитуда колебания

Д, = 0,С2 м, частота колебания и> = 7,5 Гц.

4. По найденным оптимальным значениям амплитуды и чаото-^ы колебаний, проведена оптимизация конструктивных параметров упругих спиральных стоек по критерию минимума тягового сопротивления и найдено следующее оптимальное значение конструктивного параметра - значение стороны квадратного пошрочного •сечения упругой спиральной стойки ^уГ^0,03 м.

5. Из теоретических исследований процесса крошв"ия почвы было установлено, что разрушение ее внутренних связей про-

исходит при определенном количестве энергии,поглощенном еди-| вицей объема почвы, которое включает энергию поступательного :и колебательного движения Р0„

Получена аналитическая зависимость, связывакщая степень !крошения почвы, параметры и амплитудно-частотные характеристики PQ на упругой стойке. Полученные зависимость показывают, 'что при колебании РО интенсивность крошения почвы значительно выше, чем. РО без колебаний.

6. Для проведения экспериментальных исследований было 'изготовлено двенадцать вариантов РО, устанавливаемых на упругие спиральные стойки культиватора КШ-5,4 и на стойку ку-:льтиватора КПЭ-3,8А с затяжкой пружин на I и 5 кН.Ширина за-.хзатэ РО1 составила 410, 500, 700 и 1000 мм.

7. Анализ корреляционных функций колебаний Р0 на различ-;них стойках показал на отсутствие ярко выраженных периодичес-■ких колебаний для стоек КПЗ с затяжкой пружин на 5 кН. При Ослаблении затяжки пружин до I кН характер кривой корфункции ■при малых значениях имеет вид гармонических колебаний,од-, ноко при больших Тпериодичность Kpimoii нарушается. Для стойки ШН корреляционная кривая имеет гармонический вид на всех ¡эксплуатационных режимах, что свидетельствует об автоколебательном характере движения этой упругой стойки.

Изменение глубины обработки (с 5 до 10 см) , скорости движения Се 1,2 до 1,82 м/с) но оказывают существенного вли-' ;яшк на изменение частоты колебания.

Спектральный аналпз рабочих колебаний систем "стой-|кангапа" показал^ что максимум спектральных плотностейS(и>) ¡для стоек ШН приходится на узкий диапазон частот ¿6,14-¡7,5 Гц) ,, что указывает на стабильность колебательного процесса и при этом максимумы спектральных плотностей приближаются |к частоте собственных колебаний системы "стойка-лапа". В остальных случаях установка Р0 на стойку КПЗ с затяжкой пруглн !яв-1 и 5 кН наблюдается нарушение стабильности колебательного процесса за счет' увеличения диапазона основных частот в ■общем спектра частот-процесса, особенно с увеличением затяк-|ки пружин до 5' кН, и связано это с тем, что максимум спектральных плотностей процессов значительно отличаются от собственной частоты колебания системы "стойка-лапа". 24

9. Результаты исследований по силовой оценке РО показали, что рабочий орган должен иметь минимально возможную ширину хвостовика и устанавливаться на упругую стойку типа КПЧ, ;что позволит снизить тяговое сопротивление на 26,9$.Увеличение ширины захвата РО в целом ведет к росту тягового сопротивления. Проведенные эксперименты подтвердили результаты теоретических исследований по выбору параметров ГО: минимум тягового сопротивления имели РО шириной захвата В = 410-500 да, ' устанавливаемые на упругую стойку КПЧ.

10. Результаты качественной оценки РО по степени кроше-1 ния почвы и по площади поверхности вновь образуемых почвенных комков показали, что установка РО на упругие отойки КПЧ позволяет увеличить степень крошения почвы на 10,6$; более ¡интенсивно ведет к росту образования новой поверхности комков на 20,0$, при этом расход энергии был минимальным.Экспериментальные данные подтвердили теоретические предпосылки о ¡влиянии колебательного движения РО на увеличение степени кро-г шения почвы.

11. Полевая агротехническая оценка разработанных вариантов РО показала,что установка на упругие отойки КПЧ позволяет уменьшить гребнистооть поверхности поля на 39,5$, а показатель выровненности поля увеличился на 46,5$ в сравнении с серийным орудием. ,

12. Техшко-эконошчеокие расчеты показывают, что использование культиваторов о упругими стойками позволяет снизить Металлоемкость орудия на 6,9%, расход 'топлива - на 5,6$, и; затраты труда - на 5,89$ в сравнении о выполнением технологической операции серийными рабочими органа™.При этом ожидаемый годовой экономический эффект на одну машину составит «4934,5 руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Эффективность применения паровых культиваторов. -ДНИИТЭИтракторосельхозмаш. Э.И. - М., 1992 - о. 1-9 (Сер. 2, Сельскохозяйственные машины и орудия, вып. 5).

2. Паровые культиваторы. - ГЛ.: (Деп. в ШШТЭИтракторс-сельхозмаш, № 1449, - ТС91). - С. 62. (Соавтор Коломиец В.В.).

3. Культиваторы с активными рабочими органами для обра-1 ботки паров. (Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, Гч 1448, ¡ТС91). - С. 62. (Соавтор Коломиец В.В., Васильев В.В.).

4. Теоретические исследования по определению условия перемещения почвы по вибрирующему клину. (Деп.в ЦНИИТЭИтракто-росельхозмаш, № 1445. - ТС91).- С.61. (Соавтор Коломиец В.В.).

5. Качественная и энергетичеокая оценка новых рабочих [органов для обработки почвы под пары. (Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, № 1447. - ТС90).- С.61.(Соавтор Коломиец В.В.)»

6. Определение тягового сопротивления клина,совершающего колебания в двух взаимноперпендикулярных плоскостях.(Деп. в ЦНИИТЭИтракторооельхозмаш, № 1446. - ТС91). С. 61. (Соавтор Коломиец В. В.).

7. Панов И.М., Есхожин К.Д. Рабочий орган парового ку-'льтиватора. - Положительное решение ВНИИШЭ по заявке !« 54897793/15 от 27.06.91.