автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ПАРОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

А-ъот

Научно-производственное объединение по сельскохозяйственному машиностроению НЛО ВИСХСЫ

Не правах ру конвои

ВЖ ШИН

Кайрат Дмдыгвроьяч

УДК 631.331,5,02.001.2

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КУЛЬЖВАТОРА ДЛЯ 1ШКВСЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальность 05.20.01 - Мехеняэацяя сельскохозяйственного проивводствя

Автореферат -диссертации на соискание ученой степени кандидате технических наук

Москва 1993

Реботе выполнена в Научно-прояэводствекнсм объединеяш; too свльокоховяйствениому машиностроению OÍDO ШСХОМ)

" ** 4

Научный руководитель - доктор технически* ивук,

профессор И.М. Пенов

Офатвльные оппонента: доктор техничеоквх наук,

профессор П.Н. Бурченко;

кандидат технических наук, стерший научны! сотрудник В.А. Шонян

Ведущее предприятие - ГС КБ по противоэрозионной

технике (г. Целиноград).

Защите состоятся "^»¿w^wí 199Э г. в № часов не зв о еде кии специализированного coserá Д 132,02,01 Hay чно-проияводственного объединения во сельскохозяйственному м»-виностроению Ш10 ШСХОМ по адресу: 127247, г. Москва, Дмитровское юссе, 107.

( С мссертвлев молено ояяакомяться в библиотеке НПО шехеи.

Автореферат разослан m'f¿ " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совете, доктор технических неук, >

профессор А.А. Сорокин

Посвящается моим родителям

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А^ууэдь^ост^. тем^. В засушливых регионах страны пар является одним из важнейших средств создания благоприятных почтенных условий дня получения высокого урокая. Высококычеотвеивая обработка парового поля направлена на сохранение вла-■ги в почве, повышение плодородия путем систематической екщь-;бы о сорными растениями и накопления в почве органических бз-ществ в усвояемых дня растений формах. Однако примейяоиуэ в настоящее время на обработке паров культиваторы не позволяют раскрыть полностью потенциальные возможности парового поля: дают гребнистую поверхность, перемешивают и виворачпээмт вла<-жные слои почвы, но доляостью подрезают сорные растегни.

Одним из перспективных направление обработки паров является применении по чвообрэбэтиввютх орудий с рабочими органами на упругих стойках, которые позволяют получить высокую степень крошения почвы при минимальных энергозатратах, шров-иеннуя поверхность поля, исключают забивание растительные остатками и перемешивание слоев почвы. Поэтому изыскание я обоснование параметров рабочих органов и типа упругой стойки для паровой обработки почвы являются актуальной и важной задачей. Работа выполнялась согласно отраслевым планам департамента "Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение" Мин-прома РФ и программе ГНТ11 "Высокоэффективные процесса производства продовольствия".

Цель работы. Обоснование параметров рабочих органов парового культиватора, обеспечнвавдих при минимальных энергозатратах высокую степень крошения шчгцминимальноу выкосе вия-нюс слоев почвы на поверхность поля и полное подрезание сорной растительности

Объект исследования. Различные варианты рабочих органов но упругих и подпружиненных стойках, макетный образец парового культиватора.

Мо,тод»„рсс^едовеши. Теоретические исследования базировались на положениях земледельческой механики и математическом моделировании взашодеИстаия колеблющегося рабочего органа с почвой, 0птя1.1изац:и параметров рабочих органов и решшов

ЦЕНТРАЛЬНАЯ 3

НЛ^ЧН^ " '-"ПЮТЕКА,

¡*оск, с«.|. . 'здвюм

....... СшШШ ■

колебаний упругой стойки осуществлялась методом нелинейного программирования, а также с использованием корреляционного, и спектрального анализов. Экспериментальные носледования вздючали лабораторные доследования в почвенном канале х лабораторно-полевне иопытавия рабочих органов о использованием тензометрических методов и средств измерений. Обработка результатов исследований проводилась на ЭШ методами математической статистики.

ручная новизна. Установлено, что качественные показатели работы культиватора на обработке почвы под пары могут бить .существенно улучшены путем применения упругих стоек с опта- ' мальными 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 процеос крошения почвы о учетом качества выполнения технологического процеооа, в том числе степени крошения почвы, средневзвешенного диаметра почвенного комка и площади поверхности впоаь образованных комков;

зависимость агротехнических и энергетических показателей работы парового культиватора от параметров в режимов колебе-[ ,ний рабочих органов.

Практическая пеннооть. Определено влияние упругих рабо-¡чих органов на качественные и энергетикеокив показатели обработки почвы под пары, Созданы более совершенные рабочие органы паровых культиваторов, обеспечивающие повышение производительности, онииеяие тягового сопротивления и повышение качеств обработки почвы. Новизна технического решения- конструкции рабочего органа парового культиватора подтверждена ноу ложитсльнши решениями о выдаче авторского свидетельства (заявка * 54897793/15 от 27.06.91).

Реализация результатов исследований. Результаты диссертационной работы по параметрам рабочих органов паровых культиваторов приняты ОКБ завода "Целиноградоельмаш" и ГСКБ ГОТ (г, Целиноград), Опытный образец.парового культиваторе полу-' чил положительную оценку на хозяйственных испытаниях в сожкГае

"KaalMK" Целиноградской области Казахстана, Ывтодгла экспериментальных исследовании принята Целиноградским СХИ для использования при проведении испытаний и исследований почвообраба-тыващих рабочих органов.

АпРОбагтая Работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на технических совещаниях СКВ завода "Целаяоградеельмаш" <1990-1992 гг.), на научно-технкческоЛ 'конференция профессорско-преподавательского состава ЦСХИ ; (г.Целиноград, 1991 г.), на секциях НГС ВИСХШа (г. Москва, 1990-1992 гг.).

рубликаши результатов и^^едованкй. Основные положения я результаты исследований опубликованы в 7 печатных ре-йотах объемом 2,5 п.л. и положительном решении на выдачу авторского 'свидетельстве на изобретение.

Структура я объем дагесесташти. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, описка испольэосвь-вой литературы (121 наименования), изложена на 234 страницах, «одержит 15 таблиц, 104 рисунков и 13 приложений,.

СОДЕРЖАНИЕ РАШШ

Эр .введертщ обоснована актуальность теш, наложены положения, вьтосише на защиту.

В первой глава проведен анализ тенденций развития рабочих органов £Р0> культиваторов для обработки почва под парц и рассмотрена агротехническая эффективность их использования. Анализ исследований,проведенных Г.А. Рябцевну, Е.Л. Кондратьевым, C.B. Левицким, К.В. Игнатенко. В.П, Базаровым, Н.М.Иб-рагшовкм, А.А. Завракновым и др,,показал, что максимальный эффект достигается в случае, если F0 почвообрабатывающих машин совершают автоколебания. По результатам проведенного анализа выдвинута рабочая гипотеза,, заключающаяся в том,что максимальные энерго- и агроэффокты достигаются в случае приближения максимума рабочей частоты колебаний ГО к параметрам собственных колебаний системы "стойка-лапа". Для достижения поставленной цели и подтверждения достоверности выдвинутой гипотезы необходимо было реозгть следуиска задачи:

теоретическим путем определить аглищту дно-частот н у ю характеристику колебали;! РО на упругой стойке, которая позваля-

5

от снизить тяговое сопротивления дриминиыальном выносе нижних слоев почвы;

установить зависимости, определяющие режимы эффективной работы F0 на упругой стойке;

разработать метод энергооаенки работа РО с учетом отепвг ни крошения почви РО;

подтвердить экспериментально достоверность результатов теоретических исследований;

спроектировать и изготовить РО на упругой отоЙке для обработки почзш под пары, провеоти сравнительные исследования с сери&нш орудием и дать технико-экономическое обоснование эффективности их применения.

Во уг'оррй тушве дан анализ процесса отрыва и перемещения почвы по рабочей поверхности колеблющегося клина; исследован процесо силового взаимодействия РО о почвой; рассмотрен процесс крошения почвы РО.

Особенности паровой, обработки почвы требуют,.чтобы движение почвы по рабочей поверхности клина происходило бе» под-г сбрасывания, что позволит исключить перемешивание слоев почвы-и вынос нижних влажных чаотия почвы на поверхность поля.

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

На движение пласта почвы дополнительно.оказывают влиянии силы ииедаии колебательного движений F^ ^mbfasinkcot) и Fg -mofffsin ,, которые необходимо учитывать при определении условий отрыва и перемещения почвы (рис. 1,а).

Приняв ряд допущении, каоащихся постоянства фвэико-мэ-ханичеоких свойств почвы и параметров колебательного процесса, определим условия, при которых почва будет двигаться без Ьтрыва от рабочей поверхности клина

FavosaС < &cos<A (I)

или

Ро<Р»

и условия, при которых озлк инерции будут стремиться сдвинуть частицу*почвы вверх по плоскости клина

^¿(ЛЛ+^ШЛ >Гу+б&ПсС, (2)

или

Ра^Рф.

г

*

Риа. I. Схема к определению условия пзрсыешелая я отрыва почвы на колеблвдоися кино:

а) схема сил, дзйстьукад^ на частицу почвы; "

<5) график зависимости Рс /{&) и Рт»/ (й/);

в) график заЕксиности Р0 =■ / (£У) и Рп = / Ш )

Определив значения оил, входящих л неравенства (I) и .(2) , и приняв мл Uat) в I, доело преобразования получаем ' условие сдвига •частицы почвы вверх- по ¿габочей плоскости клиНа: ~ •

j[ùfasùn ос+tjcostf. -ûfSeosci~]+(JSÙKX. -ïùJbcostfi+iifBsiTKX. {3}

и условия отрыва: ■

gCe$A+&bsWt71 У GJ*8COS<&, (4)

где & - силе. тяжести материальной точки почвы;

сС - угол крошения; .

у - коэффициент внешнего трения; «-круговая-частота колебания клина; О и В - амплитуда колебания клина. .

Графическое решенка неравенств (3) и (4) при а - S -0,005-0,04 м, у = 0,5, Л = 6° представлены на рисунках I |£б ив), Для принятых значений амплитуд характер протекания кривых выражения (3) показывает, что чем больше амплитуда ко-» ^ебвяия РО, тем меньше минимальное значение частоты колебшия, 'при котором начинается сдвиг почвы. Точка пересечения кривых' на графиках определяет минимальное значение частоты колебания, -ниже которой силы, препятствующие движению почвы будут

; дошнкровать над сдвигающими силами ). С уменьшением амплитуда колебание минимальное значение частоты увеличивается. Так, если а - 0,04 м - Ï»8 Ги» воли а = 0,002 м . -6W= 6,8 Гц.

Точка пересечения кривых на графике (рио. Х,в) определят ет минимальное значение чеототы колебания, выше которой, оилн^ .Ьтремящиеся оторвать частицу почвы от рабочего органа (Р0) , .будут превосходить силу., отремгащюся прижать частицу почвы к : рабочей поверхности клина (Рл ). и тем оамым способствующие выносу нижних слоев почвы не поверхность поля. С уменьшением амплитуда минимальное значение частоты будет увеличиваться я при а = 0,ОС© 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 лереме-. щению частицы почвы из 'нижних влажных слоев почвы на поверхность падя.

"При"анализе' силового взаимодействия колеблэдегося" РО 6 ¡почвой исходам из того, что частиш почвы движутся по рабочей поверхности клина боэ отрыва и рассматриваем случай, когда си-|лы инерции стремятся сдвинуть частицу почвы вверх по рабочей ¡поверхности клина. Двикенне частицы почвы вниз к лозви»' РО |не рассматриваем, так как допускаем, что подпор со стороны медеформированной почвы не позволяет почвенному элементу сойти вниз к леэвдао. Составим систему уравнения равновесия для колеблющегося РО, взаакодоЙствущего с почвой:

(IX - Р5(л(& +4) -/Ъбпсс/г- О:

ЕУ - РЬз(<Х.+Ч>/ ~Гг -Рсозе^/г -ГфбслЛ. -О, ■ (5)

Определив значения сил, входящих в выражение (5) к проектируя их на ."оорданатныо оси X и У, найдем тяговое сопротивление РО при движении в потаенной среда:

/с,(Ш/мг х^/МВ^ас&ш^}-

¡где к - глубина хода РО;

3 и С - соответственно ширина захвата з длина клина; объемный вое почвы;

О - скорость движения;

(Л+У); <р - угол трэиия к<р= 2б°30').

В выражение (6) входят амплитуда (а и в) и частота коло-бания РО в квадрате {что указывает на существенную зависимость тягоюго сопротивления РО от амплитудно-частотной характеристики колебаний.

Результаты расчетов зависимости:(6) представлены в виде кривых (рис. 2,6« виг), из которых иидно, что тяговое сопротивление РО о увеличением частоты я амплитуда колебании уменьшается. При этом более интенсивное влшшио на еншенпе тягового сопротивления оказюмет частота колебание РО.

На основании юолучршюй зависимости (б) для тягового сс-щп-т^г^птя была проведена оптимизация кинематически*, геометрических к технологических параметров РО по критерию ктсни-щиа тягового сопротишшнкя.

\ г

^ <

л

£ /» /

-7777/

О.яМ

4«

км

ем

Л*

а-ым*

"м л» . *# ЛГ-*

г

Рио, 2, Определение тягового сопротивления рабочих органов при колебании:

в) схема сил, действующих на частицу почвы; ,

б) изменение тягового сопротивления РО в зависимости от ширины захвата, при (0 = 5 Гц„ а = 8 = 0,03 ы;

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

¡г) изменение тягового сопротивления РО в зависимости от чао-, тоты колебания; *

—-— неколеблющийся РО; ~ ~ "" колеблвдийся РО;

Зависимость Р (Л , й , а ,а> ), полученная при Ляубине ; обработки 0,06 м, плотности почвы у? - 1,2 • Ю3 кг/м3, угле ¡крошения (Л = в0 и длине рабочей поверхности клина I =0,05 м, !бнла аппрокоимировона с помощью параболической сплайн-функ-тя и получено следующее регрессионное уравнение:

Р - (в)

'где Х^ - ширина захвата РО;

Хд - скорость движения;

Хд - амплитуда колебания;

Х^ - частота колебания.

Задача оптимизации данной целевой функции является задачей нелинейного программирования, зэкдочаадался в поиске ми» нимума численнчм методом Хука-Ддивса,

2 результате решения исследуемой целевой фуякшю были получены следущие оптимальные значения параметров: частота колебания о/ * 7,5 Гц, амплитуда колабанпя <7 - 0,02 и, шри-ка захвата РО В = 500 мм, скорость движения V = 1,2 м/с.

Подученные оптимальные значения параметров амплитуды колебаний а и частоты (У зависят как от режимов обработки почвы, так и от параметров сомой стойки. Рассматривая вмоото» параметров колебательного движения а я Ы их статистические аналогии - дисперсию угловых отклонений и дисперсию скорости отклонений, определены оптимальные значения момента инерции 3 и жесткости С упругой спиральной стойки.

Целевую функцию оптимизация параметров упругой стойки (жесткости С и момента инерции 3 ) можно загшоать в следующем виде:

/ - (С*-С)г+ (3"V/теп. (Ю)

Согласно результатам исследований В.Ф. Клейна оптимальные значения динамических параметров Р0 при обработке почвы на глубину 6...16 см, позволявшие снизить тяговое сопротивление на 25%, принпмали следущее значение С* - 0,5 кН/рад; 3*5,6 кгч«2. При вычислении моментов инерции сложных фигур, какой является рассматриваемая упругая стойка, ее обычно разбивают на отдельное элементарные участки, моменты инерции которых легко можно определить. Таким образом, томонт инерции спи-

ральной стойки определяется выражением:

з (ш

где - площадь поперечного сечения ¿-¡го участка стойки; , - угловая протяженность { -го участка; с^. - полярный угол начала I -го участка.

Хесткооть стойки нйходам из выражения:

где V) - радиус-вектор прямолинейного учаотка стойки и - двойной спирали; йХ и ¿У - горизонтальное и вертикальное перемещение носка РО,

В результате решения полученных выражений на ЭВМ было найдено значение стороны квадратного поперечного сечения отойки 0,03 м при ширине захвата рабочего органа В 500 ми.

При изучении процесса крошения почвы была использована гипотеза проф. Г .И. Покровского о том, что разрушение матери^, ала происходит при определенном количеотве энергии, поглощенном единицей объема вещества, В случае, когда РО в почвенной среде совершает колебательное и поступательное движение^ пол? ный поток энергии, передаваемый РО в почву имеет вид:

£ - Е„+£к « <:з)

где £ - плотность ореды;

£ - площадь рабочей поверхности клина; С - продольная скорость волны напряжения; / - время.

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

/V(14)

Удельный показатель поглощенной энергии при работе колеблющегося РО определяется выражением:

7 IV ЛЛотзл1 ^ где № - объем обработанной почвы;

Н - глубина обработки;

<£ - угод крошения.

Анализируя качественную сторону явления, выражение (15) можно представить в ввде:

^ - (16)

где СА - — 2 - коэффициент, зависящий от свойств почвы, гловал глуйинн обработки и формы рабочей поверх-нооти клина.

Почва является полидисперсной и неоднородной средой.учитывая это можно принять, что характер распределения прочностных связей, как принцгсшздътю положительных величин, соответствует закону распределения случайных величин Максвелла. Учитывая характер распределения в почве прочностнвх связей, критическая величина поглощенной "энергии о„ в различных точках пласта будет отличаться от средней. По аналогии с гипотезой В.В. Кацыгина плотность распределения критического значения поглощенной энергии можно выразить формулой:

<п)

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

Поело решения и подстановки значения ^ имеем

V . (19

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

иле

После подстановки окончательно получим

^-¡-е'1"^1^*^' (20)

Результаты расчетов но определению степени крошения поч-|вы дня двух значений = 0,5 и 0,25 с колеблющимися к не-

колеблющимися Р0 показаны на рис. 3. Анализ полученных дан-1 ркх покаэнвгет, что при одной и той же скорооти поступатель- . ного движения колебладиеоя рабочие органы позволяют подучить большую степень крошения почвы.

В третьей главе изложены программа и методика- экопари-. . дентальных исследований, обоснована методика лабораторных исследований. описаны лабораторные уотаыовки, техника измерений, Ьриборы.

Основной целью екопериментальных исследований являлась Проверка теоретических положений и выводов, а также получения сравнительных характеристик новых и оерийнцх РО. Для проваде-'ния зкспериыенталгных исследований было изготовлено двенадцать вариантов РО, устанавливаемых на упругие стойки кудмж»; Ваторв КПЧ-4-5,4 и на,стойку культиватора КПЭ-3,8А.о затяжной пружин на I и 5 кН. Ширина захвата РО была равна 410,500, рОО и 1000 мм.Для исследования силовых характеристик экспбриг ментальных РО в зависимости от конструктивных и кинематических 'режимов работы была разработана экспериментальная уста-. ' ¡иовка. !■■..

Обработка результатов исследований проводилась на ЭВМ ^етодаш математической' статистики и теории случайных про-Йеосов.

В четвертой главе приведен 'анализ результатов лаборатор-ннх и полевых исследований. Иоследойания новых РО проводились Ь сравнении о контрольна* серным РО культиватора КПЭ-3,8А. -

рно. 3. Изменение степени крошения К^ почвы в эависииооти от окорооти движения ;

—--- колеблющийся рабочий орган;

—- некояебладийоя рабочий орган

Результаты тензометрическшс испытаний показали, что РО шрп-рой захвата 410 шл (дала КПЗ) с шириной хвостовика лапы 30 ми, уотанавливаемый на упругую стойку КПЧ, позволяет снизить тяговое сопротивление на 34,6...26,9$ но сравнению с оерийнш ^0 (рис. 4}. Снижение тягового сопротивления объяоняето« тем; ^то при колебательном движении РО.возрастает интенсивность Йроцееоа тревднообразования'в слое почвы перед лапой. Уста-вовка оерийной лапы КГЕЭ о хвоотовипеы 60 мм на жесткую отой-ку КТО (без пружин) ведет к увеличению тягового сопротивлении ра 9,61...28,2$ в срасионяи с контрольным вариантом.

При ширине захвата РО равной 500, 700 и 1000 ш тяговое ропротивленве растет пропорционально ширине захвата. Б о луп» уотэновкн этих РО иа жесткую отойкуКПЭ тяговое вопротивлияге (при V = 1,2. ..3,4 ц/о) в «равнения о упругой стойкой уввяи-кмлаоь соответственно на 66; 71 и 76$.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о тот. Что установка РО на' упругие или подпружиненные стойки позво-.^иет снизить тяговое сопротивление по сравнению с серийным РО. результаты опытов близки к теоретическим предпосылкам о возможности снижения энергоемкости процесса почвообрабо'.ки при колебании РО. - . .

Vrt/p

Fue. 4. Зависимость тягового сопротивления РО для вариантов

рабочих органов:

I - серийный (контрольный) вариант рабочего органа;

4 - стойка КПЗ без пружин о лапой КПЭ, ширина хвоо-

товика 30 мм;

5 - то же о шириной хвостовика 50 мм;

9 - стойка КПЧ с лапой КПЭ с хвостовиком 30 мм.

Результаты исследований процесса крошония почвы показали, что наибольшая степень крошония почвы (84,2.. .92,I¡£) на-блюдалаоь у лапы КПЭ с хвостовиком 30 мм, устанавливаемой на упругу» стойку КПЧ (рис. 5). Рост показателя крошения почвы объясняется тем, что происходит большее' поглощение энергии слоем почвы перед лапой за счет колебания РО. Наименьший показатель степени крошения почвы наблюдался в случае установки лапы КПЭ на жесткую стойку КПЭ.

При установке РО шириной захвата 500, 700 и 1000 км на жесткую стойку КПЭ прирост степени крошения почвы составил 16,1,, ,4,3¡E. В случае установки этих кс 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 áa"упругие стойки КПЧ,

Другим показателем крошения почвы является площадь поверхности вновь образующихся почэенних комков. Наиболее низкий показатель образования «опой поверхности комков

.вабисдалоя в случае установки'лапы КПЭ о хвостовиком шириной 30 мм на жесткую отойду КПЭ. И, наоборот, более высокий показатель шел место в случае установки лапы КПЭ с хвостовиком 30 ш на упругую стойку КПЧ (рис. 5). При сравнении с контрольным варианте«! в первом случае происходило оншеение образования новой поверхности комков на 14,2...16,7$, а во втором - наблюдался роот на 20...23,7^. Аналогичный процесс на-{блюдалоя при установке РО различной шириной захвата на жеот-¡кую отойку КПЗ и упругую отойку НН.

Энергоемкость процеооа кроаения почвы оценивалась показателем удельного расхода энергии на единицу вновь образованных BOBejatHooreft S*jj комков. Исследования показали, что наименьшие уделыше энергозатраты имеют место в случае установки лады КПЭ с хвостовиком 30 мм на упругую стойку КПЧ. На пяти скоростных режимах этот показатель изменялся в пределах 1,4...25,8 Вт/h^. В сравнении о контрольным вариантом РО (^ = 15,1...44,2 Вт/м^) наблюдалось уменьшение энергозатрат на 24,5..,41,6?» (рис. 6), В случае жесткого крепления РО удельные затраты энергии на образование новой поверхности ком- . {ков ооотавили 12,9...49,8 Вт/ы2. В сравнении о контрольным ¡вариантом имело меото незначительное снижение энергозатрат На 14,5% при низких скоростях движения, но о увеличением око-рости движения наблюдается роот удельных энергозатрат на 12,6$. Изменение ширины захвата РО также оказывает влияние на удельные энергозатраты. Так, при увеличении ширины захвата РО от J500 до 1000 мм и установке их на жесткую стойку КПЭ удельные -¡энергозатраты находилась в пределах 19,4...64,1 Вт/м2 ( при (Г = 1,2...3,4 м/с).

- Результаты опытов показывают, что тип стойки оказывает

значительное влияние на удельные энергозатраты и на процесс образования новой поверхности комков. Так, в случае установок РО различной шириной захвата ва упругую стойку КЕН в сравнения с жестким креплением на стойку КПЭ наблюдалось уменьшение удельных энергозатрат на 39,4*..54,2?!; 49,7...61,3^ и 52,1...57,7$.

*

5

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

I - серийный рабочий орган;

4 - стойка КПЭ без прукин с ладой КПЭ (ширина хвостовика 30 мм);

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

*

4

з а 1

]Рис. 6. Зависимость удельных энергозатрат ва процооо крошеник почвы для вариантов рабочих органов:

I - серийный рабочий орган;

4 - стойка КПЗ без дружин о лапой КПЭ (ширина хвостовика 30 мм);

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

Анализ результатов качественной и энергетической оценки показывает, что установка РО на упругое стойки типе КЦЧ позволяет увеличить степень крошения почвы, белее интенсивно воздет к увеличении образования новой поверхности почвенных комков, при этом расход энергии на образование новой поверхности комков был наименьшим в оравнении'о другими варнаятада РО^

Исследования частотных'характеристик системы "стоИка-ла-^ Ьа" в рабочем положении при заглублении в почву проводились тензонетрическим методом.

Предварительно была определена собственная частота колебания системы "стойка-лапа". Для стойки КПЧ к стойки КПЭ о |затяжкоЙ пружин на I и 5 нН собственная частота колебаний находилась ? пределах 9,61...33,3 Гц. Закрепление на стойку КН рабочих органов различной шириной захвата (410, 500, 700 и ,1000 мм) ведет к уменьшению частоты собственных колебаний до 6,25...4,61 Гц. В случае стойки КТО с затяккой пружин на I и Б кИ при закреплении ГО различной ширины захвата чос* па собственных колебания находилась в пределах 20,1...7,1 Гц.

М»* 0 у V /

У у\л >

/>/ /7 в

а в

у

О 50 60 И йк^п'/п

В'результатё доследования собственных колебаний систвь| "стоЯна-лапа" установлено, что на их'частоту.оказывает влияние как упругие характеристики самой стойки, так и величина приведенной массы лаш, закрепленной на упругой стойке.

Статистическая обработка осциллограмм колебания системы "стойка-лапа" при движении в почве проводилась на ЭШ по спе-|циальной программе на основе теории случайных процессов. Бы-;ли получены графики нормированной корреляционной функции из-¡меяения частоты колебания системы. Характер протекания кривых показывает, что для отойки КПЗ с затяжкой пружин на 5 кН ¡имеется наименьшая корреляционная связь в сравнении с другие \т вариантами РО, а время корреляционной связи составило 1,2б, ¡При ослаблении затяжки до I lit время корреляционной связи несколько увеличилось и составило 2,1 о. Для стойки КПЧ время ¡корреляционной связи процесса занимало наибольший интервал [времени и составило 2,5 о. Увеличение времени корреляционной.' !овязн ведет к сужению полооы основных частот в спектре час-^ ■тот случайного колебательного процеоса.

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

Корреляционная функция случайного колебательного процесса для упругой стойки КПЧ показывает,'что с течением времени: '¡кривая переходит в гармоническую, практически с постоянной "амплитудой и частотой, что свидетельствует об автоколебательном характере движения РО. Для вариантов системы "стойка-да-; jna" в составе стойки КПЗ с затяжкой пружин на 5 кН» характер протекания кривой корфункцип указывает на нестационарный колебательный процесс без каких-либо периодических составляющих.

При ослаблении затяжки пружин стойки КПЗ до I кН наблюдается периодический характер протекания кривой кор«йунидш. Однако при больших значениях времени периодичность криво!! 'нарушатся.

- Спектральный анализ колебаний систему "стойка-лапа" при ДВ1КСНШ в почвенной ореде показал, что при увеличении скорости двиадная и глубизн обработки спектральная плотность ко-

лебательного процесса для стойки КПЧ сосредоточена в относительно узком диапазоне частот (рис. 7). При этом чаототы.при которых достигаются максимумы спектральных плотностей приближаются к собственной частоте колебания системы.В случае стойки КТО с .затяжкой пружин на I кН также имэет 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 процеоса увеличивается, а сам процеос становится все более нестабильным. Спектральная плотность колеба-: тельного процесса для стойки ЮН о 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-'. йессов системы "стойка-лапа" свидетельствует о несомненной' ¡зависимости их от упругих характеристик стоек.

, Полученные результаты коррелящонного и спектрального анализов подтверждают выдвинутую гипотезу о том, что максимальный энергетический и качественный аффект достигается в олучае приближения максимума рабочей частоты РО к параметрам; собственных колебаний сиотемы "стойка-лапа". ■

В ^ятой гладд приведены результаты агротехнических ио-|следований макета парового культиватора о новыми РО в сравнении с серийным культиватором КПЭ-3.8А. Результаты агротехник ческих исследований показали,что на выровнешюсть поверхнос-' ти поля существенное влияние оказывает ширина хвостовика 70. [Гак,в случае установки лепы КПЗ с хвостовиком 30 ым на жест-( !кую стойку КПЗ и упругую стойку ЮН, выроаненнооть «поля ла: |93(4 и 46,55« выше,чем у серийного орудия. Данные о равномерности глубины обработки показывают, что для лагш КПЗ с хвое-; товиком 30 мм на упругой стойке КМ равномерность глубяльг обработки почвы составила 1,53 см, что несколько виз;в агродо-' -¡пуска (¿1,5см).

Анализ результатов испытаний по определению гребштстос-.ти поля показывает, что установка лапы КПЗ на упругуь стойку НИ позволяет, получить - наименьшую гребнистость поля, что ла

, £1

39,"вше"контрольного варианта орудия,

РЭ'очет экономической эффективности проводили в соотвеом ствни с общей методикой определения экономической эффектив-

¿И С) т— ~оик аЮ №

мг

■> ' 1 .....

2 ~ , П -«А- 1 ( 1

Я / V / у Л л Я Г

Сг яМ- ля Ш ■V

3 — г — Ь р * ( > Р 1 * — ...

(

» Л оАя а КПЗ- 5кк

щ 4 1 ** Г Й 1 $

3"' г\ К щ \ щ N

агь б и, Гц

Рис. 7. Нормированные спектральные плотности ксл^бательг^х процессов упругих стоек с лэпоГ; К1ГЭ (Б = 410 мм) при О - ¡3 см

- при У = 1.2 м/с;

------- при ¡Г ~ 1,82 м/с

¡ноотиновнх 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 счет увеличения производительности, при этом расход топлива снижается на 5,6$, металлоемкость - на 6,9$ и затраты труда-на Ь.89*.

ОВЦИЕ ВЫВСда

1. На основе анализа тенденций развития орудий к рабочих .органов культиваторов, применяемых на обработке чистых,паров ,уставовлено, что высокое качеотво паровой обработки почвы о минимальными энергозатратами обеспечивается о применени-|ем РО на упругой или подпружиненной стойках.

2. Из теоретических исследований перемещения почвы по поверхности колеблщегооя РО найдены аналитические зависимости, связываадие его тяговое сопротивление, геометрические и ^кинематические параметры и $иэико~м этнические свойства поч-ры. Эти зависимости показывает, что интенсивное влияние на унижение тягового сопротивления оказывают амплитудно-частотные характеристики. Однако -частота и амплитуда колебания имеют ограничения в росте из условия перемещения и не отрыва по-¡чвы при движении по колебдодемуся РО. Поэтому частота колебания должна находиться в пределах от 2,5 до 7,5 Гц, а амплитуда - в пределах 0,002.,.О,05 м.

3. Решением целевой функции Р( 3, V, Q,на минимум тягового сопротивления с помощью нелинейного программирования Хука-Дкквса получено, что оптимальные параметра РО я режимы колебания составляют: ширина захвата лапы В » 500 мм, Ьоотудательная окорость = 1,2 м/с. амплитуда колебания

4 = 0,С2 м, частота колебания л? = 7,5 Гц.

4. По найденным оптимальным значениям амплитуды и частоты колебаний проведена оптимизация конструктивных параметров упругих спиральных стоек по критерию минимума тягового сопротивления и найдено следующее оптимальное значение конструкт тивного параметра - значение отороны квадратного поперечного 'Сечения упругой спиральной стойки ^^0,03 м.

5. Из теоретических исследований процесса кроше"1« почвы было установлено, что разрушение ео внутренних связей нро-

■сходит при определенном количестве энергии,поглощенном еди-;яшей объема почвы, которое включает энергию поступательного к колебательного движения РО.

Оолучена аналитическая зависимость, связывающая степень кропгения почвы, параметры и амплитудно-частотные характеристика! РО да упругой стойке. Подученный зависимость показывают, j-что кры колебании РО интенсивность крошения почвы знечнтель-!во выше, чем РО без колебаний.

6. Для проведения экспериментальных исследований било [изготовлено двенадцать вариантов РО, устанавливаемых на уп-¡ругие спиральные стойки культиватора КШ-5,4 и «а стойку ку-;льтиватора КШ-3..8А о затяжкой пружин на I и 5 кН.Ширина за-|хвате РО составила 410 , 500, 700 и 1000 мм.

7. Диализ корреляционных функций колебаний РО на различения стойках показал па отсутствие ярко выраженных периодичес-|ких колебаний для стоек КПЭ с затяжкой пружин на 5 кН. При ^ослаблении затяжки нружи» до Г кН' характер кривой корфункции 'при вялых значениях Т имеет вид гармонических колебаний .однако- при больших периодичность кривой нарушается. Для стойки КПЧ корреляционная кривая шоет гармонический вид па всех >ксвяуатациенных режимах, что свидетельствует об автоколебательном характере движения этой упругой стойки.

Изнеиенио глубины обработки {а 5 до 10 см) , скорости :движения С® 1,2 до 1,62 м/с) не оказываот существенного шш-[яняя яа кзмененнз- частота колебания.

б. Спектральный анализ- рабочих колебаний систем "стой--ка-тлапа:" показал, что максимум спектральных плотностей |для стоек КГН' приходится на узкий диапазон частот С&Д4-¡7,5' Гп)'г что указывает на стабильность колебательного процесса и при этом максимумы спектральных плотностей приближаются :К частоте собственных колебаний система "стойка-лапа". В ос-■таяъных случаях установка' РО на стойку КПЭ с затяякой пруглп? into I и 5 кН наблюдается нарушение стабильности колебательного процесса за счет' увеличения диапазона основных частот в ¡общем спектре: чаетот-процесса, особенно с увеличением затяя-'ки пружин до 5 idT, и связано это с тем, что максимум спектральных плотностей процессов значительно отличаются от собственной частоты колебания системы "сто!Зкэ-лала". 24

"9. Результаты исследований до силовой оценке РО показали, что рабочий орган должен иметь минимально возможную ширину хвостовика и устанавливаться на упругую стойку типа ЮН» |что позволит снизить тяговое сопротивление на 26,9^.Увеличение ширины захвата РО в целом ведет к росту тягового соаротиг ¡вленяя, Проведенные эксперименты подтвердили результаты теоретических исследований по выбору параметров РО: минимум тягового сопротивления имели РО шириной захвата В <= 410-500 ми, устанавливаемые на упругую стойку КПЧ.

10. Результаты качественной оценки РО по степени кроме-■ * вня почва и по площади поверхности вновь образуемых почвен-

^ых комков показали, что установка РО на упругие отойкн КГН оэвояяет увеличить степень крошения почвы на 10,более ^ нтеноивно ведет к росту образования новой поверхности ком-'ков на 20,при этом расход энергии был минимальна*.Экспериментальные данные подтвердили теоретические предпосылки о ^лшадян колебательного двименяя Р0 на увеличение степени крошения почвы.

11. Полевая агротехническая оценка разработанных вариантов РО показала,что установка на упругие стойки НН позволяет уменьшить гребнистость поверхности поля на 39,а показатель выровненности поля увеличился на 46в сравнении о серийным орудием.

12. Технико-эконоыичеокие расчета показывают, что использование культиваторов о упругими стойками позволяет снизить Металлоемкость орудия на расход топлива - на 5,6$, н[ затраты труда - на в сравнении о выполнением техяологи-¡ческой операции серийнздк ра<5очими органами.При атом ожядае-кшй годовой экономический эффект на одну машину составит 4934,5 руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах: '

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

2. Паровые культиваторы, - М.т (Деп; ,в ЦНИИТЭИтракторс-^сельхозмаш, № 1449, - ТС91). - С. 62. (Соавтор Колошец Б.В,).

3. Культиваторы с активными рабочими органам» для обрг~ ;ботки паров. (Деп. в ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, il 1448, ITC9I), — С* 62, (Соавтор Коломиец В.В,, Васильев В.В.).

4. Теоретические исследования по определению условия перемещения понвы по шбрируицему клину. (Деп.в ЦНИИТЭИтракто-(росальхоэмао', № 1445. - TC9I).- С,61. (Соавтор Коломиец В.В.).

5. Качественная и энергетическая оценка новых рабочих ¡органов для обработки почвы под пары. (Деп. в ЦНИИТЭИтракто-' ¡росельхозмаш, Ji 1447. - ТС90).- С.61.(Соавтор Кодошац B.B.h

6. Определение тягового сопротивления клииа.совершавде-то колебания в двух вааимноперпендикулярных плоскостях,(Деп. ;в ЦНИЙТЭИтракторосвльхоэмаи!, $ 1446. - TC9I). С. 61. (Соавтор Коломиец В.В.).

7.. Панов K.M., Есхожин К.Д. Рабочий орган парового ку-: 'льтиватора. - Положительное решение ВНШГПЭ по эяяжо !* 64897793/15 от 27,05.91.

Заказ 38-92 Тира* 100

нпо шсхад л»о» "попшг*