автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности работы плуга новой конструкции путем адаптации к различным условиям работы

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ОТДЕЛЕНИЕ РАСХН ПО НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЕ РФ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(СЗ НИИМЭСХ)

На правах рукописи

Щербаков Николай Владимирович

^ УДК 631312.4

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПЛУГА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ПУТЕМ АДАПТАЦИИ К РАЗЛИЧНЫМ УСЛОВИЯМ РАБОТЫ

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ ВАЙНРУБ В.И.

кандидат технических наук, доцент МИШИН П.В.

Санкт-Петербург-Пушкин

1999

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................10

1.1. Анализ почвенных условий Нечерноземной Зоны Российской Федерации.........................................................................10

1.2. Обзор зарубежных и отечественных плугов, выпускаемых промышленностью для агрегатирования с тракторами тягового класса 1,4...........................................................................22

1.3. Анализ работы пахотного агрегата с трактором МТЗ-82 с использованием потенциальной эксплуатационной характеристики..24

1.4. Анализ предпосылок к созданию плуга новой конструкции............33

1.5. Выводы и формулировка цели и задач исследований...................38

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ПЛУГА С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ШИРИНОЙ ЗАХВАТА И УГЛОМ УСТАНОВКИ ЛЕЗВИЯ ЛЕМЕХА К СТЕНКЕ БОРОЗДЫ..........................................41

2.1. Информационная модель функционирования пахотного агрегата ....41

2.2. Выбор метода определения оптимальной ширины захвата и оптимальной скорости движения пахотного агрегата.....................42

2.3. Математическая модель потенциальной эксплуатационной характеристики пахотного агрегата МТЗ-82+плуг новой конструкции........................................................................54

2.4. Определение предельного значения бокового усилия на бороздном колесе.................................................................70

2.5. Выводы.............................................................................73

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................75

3.1. Программа экспериментальных исследований............................75

3.2. Устройство лабораторно-полевой установки, регистрирующая

и измерительная аппаратура...................................................76

3.3. Методика проведения лабораторно-полевых исследований............87

3.3.1. Методика определения влияния режимов работы пахотного агрегата на энергетические показатели..............87

3.3.2. Методика проверки работоспособности бороздного колеса по условию предельно-допустимого давления на стенку борозды при изменении скорости движения, ширины захвата и угла установки лезвия лемеха к

стенке борозды..........................................................91

3.3.3. Методика определения агротехнических показателей вспашки..................................................................91

3.4. Обработка опытных данных и определение погрешности измерений...........................................................................92

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................99

4.1. Зависимость сопротивления плуга от скорости, ширины захвата

и угла установки лезвия лемеха к стенке борозды.........................99

4.2. Построение и сравнительный анализ потенциальных эксплуатационных характеристик пахотных агрегатов МТЗ-82+плуг новой конструкции и МТЗ-82+гшуг типа ПЛН

для разных условий работы.................................................... 102

4.2.1. Вывод выражения производительности за час основного времени для построения потенциальной эксплуатационной характеристики в развернутом виде..................................102

4.2.2. Влияние угла установки лезвия лемеха к стенке борозды

на потенциальную эксплуатационную характеристику.........104

4.2.3. Влияние агрофонов на потенциальную эксплуатационную характеристику...........................................................107

4.2.4. Влияние механического состава почвы на потенциальную эксплуатационную характеристику..................................109

4.2.5. Влияние абсолютной влажности почвы на потенциальную эксплуатационную характеристику..................................113

4.2.6. Влияние глубины вспашки на потенциальную

эксплуатационную характеристику..................................115

4.3. Сравнительные энергетическая и агротехническая оценки пахотных агрегатов МТЗ-82 ( плуг новой конструкции и

МТЗ-82 (ПЛН-3-3 5..............................................................117

4.4. Результаты проверки работоспособности бороздного колеса

по условию предельно-допустимого давления на стенку борозды при изменении скорости движения, ширины захвата и угла установки лезвия лемеха к стенке борозды................................125

4.5. Выводы.......................................... .................................127

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ПЛУГА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ...................................................130

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.........................................134

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................136

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................144

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ПЭХ - потенциальная эксплуатационная характеристика; Ж- производительность за час основного времени, га/ч; g — удельный на 1 га расход топлива, кг/га; к — удельное сопротивление почвы, Н/см2; V - рабочая скорость движения пахотного агрегата, км/ч; Уо — начальная скорость, км/ч;

В, Вр - конструктивная и рабочая ширина захвата, м;

Вр,опт - оптимальная ширина захвата для заданных почвенных условий, м; И — глубина вспашки, см;

ЛОП — лемешно-отвальная поверхность;

у — угол установки лезвия лемеха к стенке борозды, град.;

МТА — машинно-тракторный агрегат;

Д^.а) - максимальная тяговая мощность трактора с учетом влияния влажности, агрофона и типа почвы по прочности несущей поверхности, кВт;

у,, — скорость движения при максимальной тяговой мощности на данной передаче, м/с; ур о - скорость движения при максимальной тяговой мощности с учетом влажности почвы, м/с; q — удельное сопротивление орудий агрегата на единицу ширины захвата, Н/м;

Ркр(у) — максимальное тяговое усилие трактора при максимальной тяговой мощности, соответствующее скорости по типовой тяговой характеристике, Н; — коэффициент, учитывающий скорость движения агрегата; уЦу — коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления агрегата с изменением скорости;

кт й) - удельное сопротивление плуга с учетом влажности почвы, Н/см2; к1ы аз " удельное сопротивление плуга при оптимальной влажности почвы,

Н/см2;

ак со. - среднее приращение удельного сопротивления плуга на I % увеличения абсолютной влажности; со - абсолютная влажность почвы,%;

Да — изменение абсолютной влажности почвы, %;

Ркр — крюковое усилие трактора по типовой тяговой характеристике, Н;

Ркр.со - крюковое усилие трактора по типовой тяговой характеристике с учетом влажности почвы, Н;

Отр - масса трактора, Н;

/нт — коэффициент перекатывания при нормальной влажности;

С/- поправочный коэффициент, показывающий увеличение сопротивления перекатыванию с увеличением влажности почвы на 1%;

О,.,, - поправочный коэффициент, показывающий изменение буксования при изменении абсолютной влажности почвы на 1%; б - буксование трактора по типовой тяговой характеристике, %;

Рт - сопротивление плуга, Н;

Смип - коэффициент, учитывающий влияние на удельное сопротивление плуга типа почвы;

См.сост ~ коэффициент, учитывающий влияние на удельное сопротивление плуга механического состава почвы;

С(1гр - коэффициент, учитывающий влияние на удельное сопротивление плуга агрофона;

С/( - коэффициент, учитывающий влияние на удельное сопротивление плуга глубины вспашки; Сагр.тип.н.п ~ коэффициент, учитывающий влияние на тяговую мощность трактора типа почвы по прочности несущей поверхности;

~ коэффициент использования тяговой мощности трактора;

Яр - коэффициент использования крюкового усилия трактора,;

кп - качество крошения почвы, %;

Ск - коэффициент, учитывающий разницу в величине удельного сопротивления рассматриваемого плуга и эталонного;

Су - коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления плуга от изменения геометрии ЛОП при начальной скорости V«;

Рт(ур,Вр7у) - тяговое сопротивление плуга новой конструкции при а>=20%, рабочей скорости ур, рабочей ширине захвата Вр и угле у, Н;

Рт(УоУВр,у) - тяговое сопротивление плуга новой конструкции при ш=20%, у0=1,66 м/с, рабочей ширине захвата Вр и угле у, Н;

Рт(уо,Вр,42) - тяговое сопротивление плуга новой конструкции при £»=20%, >'0=1,66 м/с, рабочей ширине захвата Вр и угле у=42 град., Н;

(},, — часовой расход топлива при максимальной тяговой мощности, кг/ч;

Кбх - боковое усилие на бороздном колесе, Н;

Руд.пред. - предельное удельное давление бороздного колеса на стенку борозды, Н/см2;

Аа — глубина вдавливания бороздного колеса, см; ^ — среднее квадратическое отклонение; V- коэффициент вариации;

X2 - критерий Пирсона; а - доверительная вероятность; и — расчетное значение критерия Стьюдента;

((0,05ф - табличное значение критерия Стьюдента; критерий Фишера;

Г"о — критическое значение критерия Фишера.

ВВЕДЕНИЕ

Обработка почвы - одна из наиболее трудоемких операций. На ее выполнение приходится около 40% энергетических и 25% трудовых затрат из всего комплекса работ при возделывании сельскохозяйственных культур, от 7,9 до 49,0% общего расхода топлива, в том числе непосредственно на отвальную вспашку — от 4 до 30% [1].

В Нечерноземной зоне традиционная технология обработки почвы (лущение, вспашка, культивация, боронование, прикатывание) останется преобладающей в ближайшие 25 лет [1,2]. При этом отвальная вспашка преобладает в перспективных технологиях. Поэтому проблема снижения энергоемкости и трудоемкости процесса вспашки не теряет своей актуальности и сегодня.

Перспективной Системой машин предусмотрены пахотные агрегаты с тракторами класса 0,6 , 0,9 , 1,4 , 3 , 5. В связи с тенденцией к образованию более мелких хозяйств, создание и совершенствование комплекса машин к наиболее распространенным пропашным тракторам МТЗ-80,82 также представляется актуальным.

Применительно к определенным почвенным условиям и способам агрегатирования колесные тракторы МТЗ-80,82 обладают большой маневренностью, возможностью двигаться по асфальтовым дорогам при переездах с поля на поле, а также имеют переменную колею колес. Это позволяет эффективно использовать их на вспашке, особенно на полях с небольшой площадью [3].

Но необходимо полнее использовать тягово-сцегшые свойства трактора, чтобы добиться более высокой производительности пахотных агрегатов и уменьшения удельного расхода топлива. Это возможно только в том случае, если правильно выбрана ширина захвата и скорость движения агрегата, поскольку трактор имеет определенную скорость и тяговое усилие, при работе на которой он развивает наибольшую мощность на крюке и наименьший расход топлива на 1 га выполненной работы.

Агрономической наукой и практикой установлено, что повышение урожайности полевых культур зависит на 25...30% от улучшения качества обработки почвы, предусматривающей сохранение потенциального и повышение эффективного плодородия [4].

Нечерноземная зона РФ занимает 282,3 млн. га, или 17,1% площади Российской Федерации и простирается с севера на юг на 1800 км и с запада на восток на 2200 км. Зона отличается большим разнообразием почв и их удельным сопротивлением. Так, например, удельное сопротивление песчаных почв Северо-Западного района составляет 3,6 Н/см2, а глинистые почвы Волго-Вятского района имеют удельное сопротивление до 7,1 Н/см2 [5]. Все это создает предпосылки к разработке и созданию плуга для тракторов тягового класса 1,4 с возможностью оперативного изменения параметров в зависимости от условий работы.

Данное исследование проведено с целью повышения эффективности работы нового плуга путем рациональной загрузки трактора по тяговому сопротивлению с одновременным обеспечением агротехнически допускаемого качества обработки почвы в различных климатических условиях, присущих Нечерноземной зоне.

Работа выполнена в лаборатории 2.7 «Технология и технические средства механизации обработки почвы» НИПТИМЭСХ НЗ РФ в соответствии с планом по программе 8Р, работа 3.1, задание 03.01.01.01.

-101. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ почвенных условий Нечерноземной зоны Российской Федерации

Нечерноземная зона России является одним из крупнейших сельскохозяйственных регионов страны, играющим важную роль в обеспечении населения продуктами питания. Кроме значительной площади территории, зону отличает большое разнообразие почв. Если ее северная часть представлена арктической тундрой с тундрово-глеевыми почвами, избыточно-влажными, с недостатком тепла для возделывания сель с кохозяйствен н ых культур, то южная расположена в лесостепной зоне с черноземами и интенсивным земледелием.

К природным условиям, влияющим на выбор технологических приемов, конструктивных схем и технических решений, показатели работы сельскохозяйственных агрегатов, относятся: климатические условия, свойства почв, размеры полей и изрезанность их препятствиями, засоренность камнями, рельеф и т.д. Эти условия легли в основу районирования страны на зоны и подзоны механизации, принятые при разработке Системы машин. Нечерноземная зона РФ включает 3 зоны и 4 подзоны механизации [1]. Границы зон совпадают с границами экономических районов.

Зона 1. Включает Северный (Архангельская, Вологодская, Мурманская области, республики Карелия и Коми) и Северо-Западный (Ленинградская, Псковская и Новгородская области) районы с площадью сельскохозяйственных угодий 6,4 млн.га, в том числе 3,2 млн.га пашни.

В зоне преобладают подзолистые и дерново-подзолистые почвы различного механического состава, бедные питательными веществами. Осушенные почвы составляют 16,2%, переувлажненные - 11,5, супесчаные - 32,9% площади пашни. Значительная часть почв нуждается в известковании. Особенность зоны — сильная засоренность почв камнями. Такие почвы в хозяйствах нередко занимают 60-70% общей площади сельскохозяйственных угодий.

Длина гонов менее 150 м составляет 13%, 150-300 м - 43%. Большинство площадей пашни - участки размером до 3 га.

Зона 2. Включает Центральный район (12 областей) с площадью сельскохозяйственных угодий 21,1 млн.га, в том числе пашни - 14,6 млн.га. Подразделяется на три подзоны механизации.

Подзона 2/1: Брянская (кроме южной части), Владимирская, Ивановская, Калужская, Костромская, Московская, Орловская (кроме юго-восточной части), Рязанская (кроме юго-восточной части). Смоленская, Тульская (кроме южной части) и Ярославская области.

Значительную часть подзоны составляют дерново-подзолистые почвы. Местами распространены серые лесные почвы и черноземы. Средне- и тяжелосуглинистые почвы пересекают территорию зоны с юго-запада на северо-восток. Супесчаные и легкосуглинистые почвы расположены в северозападной и юго-восточной частях подзоны. Площадь супесчаных почв - 16,7% площади пашни. Почвы бедны питательными веществами, значительная их часть нуждается в известковании. Средняя длина гона - 400-800 м, 28% площади занимают участки размером до 3 га, 25% - от 3 до 8 га, 25% - от 9 до 33 га.

Подзона 2/2 - Тверская область. В отличии от подзоны 2/1 территория области сильно засорена камнями. Супесчаные почвы составляют 30,5% площади, слабокаменистые почвы - 14,9%, средне- и сильнокаменистые — 9%. Длина гонов - в среднем 300 м, преобладают участки площадью до 3 га. Условия такие же, как в зоне 1.

Подзона 2/3 - Брянская (южная часть), Орловская (юго-восточная часть). Рязанская (юго-западная часть) и Тульская (южная часть) области.

Почвы - мощные, обыкновенные и выщелоченные черноземы. Средняя длина гонов - 800-1000 м. Около 50% площади занимают участки площадью более 30 га. В Тульской области несколько меньше длина гонов и размеры участков (3,1-25,0 га). Значительная часть почв подвержена водной эрозии.

Зона 3. Волго-Вятский район (Нижегородская, Кировская области, Республика Марий Эл, Мордовская ССР и Чувашская Республика) с площадью сельскохозяйственных угодий 10 млн.га, в том числе 7,5 млн.га пашни. Средняя длина гонов - 600-1000 м, размеры нолевых участков примерно такие же, как в зоне 2.

Зона (подзона) 7: (Пермская и Свердловская области и Удмуртская Республика) с площадью сельскохозяйственных угодий 7,2 млн.га, в том числе 5,2 млн.га пашни.

Преобладают дерново-подзолистые почвы, по механическому составу супесчаные, суглинистые с массивами болотных и подзолисто-заболоченных почв. Площадь супесчаных почв - 11,3%. Рельеф разнообразен. Средняя длина гонов колеблется от 300 до 800 м. Около 22% пашни составляют участки размером менее 3 га.

В целом наиболее характерными для Нечерноземной зоны Российской Федерации типами почв являются: дерновые (30,5%), подзолистые (23,7%), торфяные, торфяно-болотные и торфяно-глеевые (12,8%), подзолисто-глеевые и глеево-подзолистые (4,8%), серые лесные (4,8%). Черноземные почвы (2,8%) встречаются лишь на юге Центрального района и отдельными массивами в Мордови