автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности вспашки путем использования поворотного плуга с изменяемыми параметрами

На правах рукописи

Марнов Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСПАШКИ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОВОРОТНОГО ПЛУГА С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О Ш 20)3

005061984

Мичуринск-Наукоград 2013

005061984

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхоза-кадемии)

Научный руководитель: доктор технических наук,

Зазуля Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Горшенин Василий Иванович,

доктор технических наук, профессор, / Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра «Тракторы и сельскохозяйственные машины», заведующий

Афонин Александр Евгеньевич

кандидат технических наук / ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия», директор НТЦ

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «II» июля 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «9» июня 2013 г. и размещен на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент | /—В.Ю. Ланцев

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Агротехническая целесообразность и доминирующая роль отвальной вспашки почв в вопросах активизации физических, биологических и химических процессов, повышении экологической безопасности и урожайности сельскохозяйственных культур доказана многочисленными научными исследованиями.

Дальнейшее повышение эффективности процесса связывается с разработкой новых технологий, совершенствованием конструкций и повышением потенциальных возможностей плугов, снижением энергозатрат за счёт оптимизации параметров и режимов работы агрегатов и стоимости плугов. Классические схемы плугов слабо приспособлены к выполнению работ прогрессивными методами и не обеспечивают требуемого качества.

Дооснащение плугов различного рода приспособлениями не приводит к значительному улучшению качества вспашки и вызывает повышение массы, энергозатрат, ухудшение маневренности агрегатов.

Асимметричность нагрузки на трактор со стороны плугов классической схемы обуславливает ограничение ширины его захвата до величины соответствующей поперечной базе трактора по причине нарушения устойчивости и прямолинейности движения агрегата. Стабилизация устойчивости плуга требует применения дополнительных устройств. Однако введение в конструкцию плуга, например полевой доски значительно увеличивает тяговое сопротивление плуга.

В связи с изложенным, для повышения эффективности отвальной вспашки необходима разработка эффективных технологий и технических средств, базирующихся на принципиально новых научных подходах и технических решениях.

Степень разработанности темы. Современной наукой используется технология гладкой вспашки, основанная на обороте почвенного пласта лево- право-оборачивающими рабочими поверхностями плуга. Вспашка осуществляется оборотными плугами без образования свальных гребней и развальных борозд.

Повышенная масса и металлоёмкость оборотных плугов, высокая их стоимость, невозможность использование метода групповой работы агрегатов, по мнению учёных и практиков, снижает эффективность их использования. Кроме того, стабилизация устойчивости оборотных плугов с шириной захвата, превышающей величину продольной базы трактора, возможна лишь при движении передних и задних колёс трактора (левых или правых в зависимости от направления движения) по открытой борозде. Отечественные тракторы в силу отсутствия в их конструкции систем силового и позиционного регулирования плохо агрегатируются с зарубежными оборотными плугами. Последние в большей степени комплектуются винтовыми отвальными поверхностями, и их использование при вспашке старопахотных земель противоречит рекомендациям отечественных учёных.

Продолжительное время в нашей стране и за рубежом ведутся разработки по созданию фронтальных плугов для гладкой вспашки. Сложность конструкции рабочих агрегатов для укладки пласта в собственную борозду, ограничение глубины обработки, неудовлетворительная укладка и заделка растительных остатков ограничивают область их применения.

Одним из путей решения проблемы реализации гладкой вспашки является разработка поворотных плугов. По мнению учёных и практиков, поворотные плуги менее сложны и металлоёмки. Однако конструктивные исполнение рабочих органов не позволяет осуществлять качественный оборот и крошение пласта, полноту заделки растительных остатков.

В связи с этим, исследования связанные с разработкой (более совершенных) новых конструктивно-технологических схем плугов для гладкой вспашки, обоснование их параметров и режимов работы представляют актуальную научную задачу и имеют важное хозяйственное значение.

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГПУ ВНИИТиН Россельхоза-кадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.06.04 «Разработать улучшенную технологию основной обработки почвы и эскизный проект комбинированного агрегата», 09.01.03.04. «Разработать конструкторскую документацию и опытные образцы рабочих органов поворотного плуга для гладкой вспашки в системе си-дерального земледелия», планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 2011-2015 гг.

Цель работы - обоснование параметров и режимов работы поворотного плуга, обеспечивающих повышение устойчивости плуга, снижение энергетических затрат и повышение производительности пахотных агрегатов.

Задачи исследований:

- разработать конструктивно-технологическую схему поворотного плуга для реализации гладкой вспашки с движением трактора и колес плуга вне борозды;

- обосновать параметры и режимы работы поворотного плуга, обеспечивающие требуемые показатели качества, энергозатрат и устойчивость движения плуга и трактора с учетом их конструктивных особенностей;

- разработать теоретические зависимости по определению требуемой силы тяги поворотного плуга и выявить характер изменения тягового сопротивления в пределах заданных параметров и режимов работы;

- экспериментально подтвердить правомерность результатов теоретических исследований и выявить влияние технологических режимов, параметров плуга и трактора на эксплуатационно-технологические показатели и качество выполнения работ;

- дать технико-экономическую оценку эффективности предложенных технических решений.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

- конструктивно-технологические схемы корпуса и поворотного плуга для гладкой вспашки (положительное решение по заявке №2012125297, заявка на изобретение № 2012138513);

- аналитические зависимости для расчета параметров и режимов работы поворотного плуга;

- аналитические зависимости для расчета требуемой силы тяги плуга с учетом варьирования установочных параметров и устойчивости его движения в гори-

зонтальной и вертикальной плоскостях.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать параметры и режимы работы поворотных плугов, определить энергозатраты на осуществление гладкой вспашки с учетом условий работы агрегатов, физико-механических свойств почвы.

Поворотный плуг позволяет повысить производительность пахотного агрегата на 10...12 % при одновременном снижении погектарного расхода топлива в среднем на 7...8 % (22,8 кг/га вместо 24,2 кг/га).

Сокращение непроизводительных затрат времени при использовании поворотного плуга обеспечило рост коэффициента использования сменного времени с 0,72 до 0,81. Опытные образцы поворотного плуга прошли апробацию в ООО «Ленина» Ржаксинского района Тамбовской области при возделывании зерновых и зернобобовых культур.

Разработан проект исходных требований на разработку поворотного плуга для гладкой вспашки и конструкторская документация на его изготовление.

Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, предприятиям и организациям, занимающимся разработкой новых технических средств для обработки почвы, ВУЗам - при подготовке агроинженеров.

Объект исследований: технологический процесс основной обработки почвы поворотными плугами, параметры и режимы работы поворотных плугов и рабочих органов.

Предмет исследований: закономерности изменения показателей качества и топливно-энергетических затрат пахотных агрегатов с поворотными плугами.

Аналитические исследования рабочих органов выполнены с использованием методов классической механики, математики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных, лаборатор-но-полевых и эксплуатационных условиях в соответствии с ОСТами, ГОСТами и частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена с использованием статистических методов с применением компьютеров.

Положения, выносимые на защиту:

Результаты теоретических исследований по обоснованию параметров и режимов работы плуга, определению энергозатрат на реализацию гладкой вспашки с учетом уровня варьирования параметров.

Результаты экспериментальных исследований и сравнительных испытаний плугов.

Технико-экономическое обоснование эффективности предложенных технических решений по совершенствованию поворотного плуга и корпуса для реализации гладкой вспашки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— применением современной контрольно-измерительной и вычислительной техники;

— объемом экспериментальных исследований;

- согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены и обсуждены: на заседании Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (2009, 2010 гг.), на заседаниях Ученого Совета ГНУ ВНИИТиН (2009-2012 гг.), на заседаниях научно-технических советов ООО НТЦ «Аграрник» (г. Тамбов), фирмы Квернеланд (представительство

- г. Зеленоград Московская область) (2010, 2011 гг.), на Всероссийской и Международных научно-практических конференциях:

на Всероссийской научно-практической конференции 6-8 февраля 2008 г., «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» ГСХА, г. Ульяновск;

на Международной научно-практической конференции 20-22 мая 2008 г., «Актуальные вопросы аграрной науки и образования», ГСХА, г. Ульяновск;

на XV международной научно-практической конференции 18-19 сентября 2009 года «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Рос-сельхозакадемии, г. Тамбов;

на XVI Международной научно-практической конференции 20-21 сентября 2011 г. «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Рос-сельхозакадемии, г. Тамбов.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей общим объемом 2 печатных листа, из них лично соискателю принадлежат 1,3 пл., в том числе 5 статей - в изданиях, поименованных в «Перечне ведущих журналов и изданий» ВАК РФ, 4 статьи опубликованы в сборниках научных трудов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц, 47 рисунка, 5 приложений. Список литературы включает 152 наименования.

Содержание работы

Во введении отмечена агротехническая целесообразность и доминирующая роль отвальной вспашки, актуальность, степень разработанности темы и её связь с заданиями Россельхозакадемии по совершенствованию технологий и технических средств, цель и задачи исследований, научная, техническая новизна, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» отмечены основные научные положения в области развития технологий основной обработки почвы и создания научных основ проектирования конструкций плугов, рабочих органов и поверхностей, заложенные известными российскими учёными: В .П. Горячкиным, П.Н. Бурченко, В.В. Бледных, В.М. Бойковым, Л.В. Гячевым, В.М. Мацепуро, Г.Н. Синеоковым, В.А. Сакуном, А.К. Кострицыным, Ю.В. Новиковым, В .А. Лаврухиным, М.Д. Подскребко, В.А. Желиговским и др. В результате исследований сформировались теоретические основы и методология совершенствования отвальных плугов.

Существенный вклад в разработку процессов вспашки и конструкций отвальных плугов внесли А.Е. Афонин, Горшенин В.И., С.Н. Киселёв, В.А. Николаев, А.Н. Степанов, Б.В. Михайлов, П.В. Мишин, В.А. Творогов, Е.А. Максимов, А.И. Завражнов, А.Н. Зазуля, Ю.А. Тырнов, Я.П. Лобачевский, Н.Е. Рыжих и др.

По результатам обзора и анализа научных исследований выявлена эффективность гладкой вспашки. Установлено, что данный процесс реализуется в основном оборотными плугами. Получают дальнейшее применение, в силу меньшей металлоёмкости, поворотные плуги, над улучшением конструкций которых российские научные и конструкторские организации работают. На основе патентного поиска выявлены основные недостатки технических решений заложенных в конструкции поворотных плугов, особенно в части снижения вредных сопротивлений.

Установлено, что для снижения доли вредных сопротивлений необходимо уменьшать вес плуга, а также сопротивления на перекатывание колёс, величину смятия стенки борозды полевыми досками и обеспечить устойчивость движения пахотных агрегатов. Наиболее целесообразно в целях обеспечения устойчивости совместить направление линии тяги с направлением движения агрегата и осью симметрии трактора.

Устойчивость пахотного агрегата может быть обеспечена симметричной нагрузкой и силой тяги, отрывающей корпуса плуга от стенки борозды. В настоящее время нет достаточных данных об изменении и направлении действия равнодействующих сил при симметричной и асимметричной нагрузках, поэтому аналитически невозможно установить длину тягового бруса плуга и точку его соединения с трактором.

В литературных источниках недостаточно полно отражены вопросы обеспечения устойчивости пахотных агрегатов с учётом особенностей конструкций тракторов, плугов и их элементов. Исследования в основном направлены на углубленное изучение уже известных решений.

На основе научного обзора и патентного поиска сформулированы основные признаки и выполнена классификация, обосновано научное направление по созданию поворотных плугов, рисунок 1.

[""плуги |

по характеру выполнения раЬоты

дли |:нилкнс!-ри*нилкной нщишки _для гладкой рспашгш

Рисунок 1 - Классификация лемешных отвальных плугов отечественного и импортного производства для вспашки старопахотных земель.

В соответствии с результатами научного обзора работ и принятой классификацией сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретические исследования» обоснованы основные технические и технологические требования к конструкции поворотного плуга и корпуса с изменяемыми параметрами, заявлена и подтверждена техническая новизна конструктивно-технологических схем, рисунки 2, 3, дано теоретическое обоснование условий равновесия и сохранения устойчивости корпуса, обоснованы технологические параметры корпуса при изменении настроек, представлены результаты теоретических исследований по обоснованию силы тяги и тягового сопротивления поворотного плуга с изменяемыми параметрами.

Рисунок 3 — Плуг поворотный (положительное решение по заявке 2012125297).

Рисунок 2 — Плужный корпус с изменяемыми параметрами (заявка на изобретение №2012138513).

Устойчивость хода корпуса зависит от соотношения значений и направлений действующих на него сил. Условие равновесия корпуса в горизонтальной плоскости соблюдается при равенстве суммы действующих сил и суммы моментов сил нулю. При этом равнодействующая всех сил действующих на корпус должна проходить через мгновенный центр вращения.

Разработанный плужный корпус, рисунок 3, включает установленные на поворотной стойке под углом друг к другу отвалы с крыльями левого и правого оборота пласта, лемеха левый и правый, которые образуют комбинированные ле-мешно-отвальные поверхности. К нижнему основанию стойки прикреплён башмак в виде равностороннего треугольника, через ортоцентр которого проходит мгновенный центр вращения корпуса.

Схема сил действующих на корпус в горизонтальной плоскости представлена на рисунке 4а.

Из условия равенства суммы моментов, сил сопротивления левой (м„) и правой {м ) части сблокированного корпуса в горизонтальной плоскости относительно некоторой точки 0 уравнение равновесия имеет вид:

(1)

«л ■ К ■ sin + °>5Rn " COS Т]л в, = ^

= Rn ■ L„ ■ sinr¡„ + 0,4R„ ■ cos rja ■ в„,

где R„ - равнодействующая сил RKn, Ryjl, действующих на левую часть сблокированного корпуса, кН; Rn - равнодействующая сил Rxn, Ryn, действующих на правую часть сблокированного корпуса, кН; ¿л - плечо силы Ryn, м; Ln - плечо силы Ryn, м;

Т]п - углы между направлением движения и действием сил Лл, /?„, соответственно, град (Г1„=1р„); уо, У\ - угол постановки правого и левого лемеха к стенке дна борозды, соответственно, град; 0\ - ортоцентр; в„, в„ - ширина захвата левого и правого лемеха, соответственно, м; /,, /2 - плечо приложения сил и от оси «X» (12 - определено согласно, а /, - из условия пересечения сил Дл и Я„ в точке ортоцентра), м. Полученное выражение (2) позволяет проводить силовой анализ корпуса плуга, а также технологические параметры его работы.

подрезания и деформации пласта, кН; £ — угол отклонения силы тяги

Рисунок 4 - Схема действующих на корпус сил.

Методом геометрического сложения сил, действующих на корпус, построен их замкнутый многоугольник, рисунок 46.

Анализ представленного графического материала свидетельствует о том, что за счёт силы Я„, направленной под углом приведённого трения, обеспечивается снижение давления корпуса на стенку борозды. Подрезание пласта и возникающие при этом касательные и нормальные силы, деформирующие пласт Кап обуславливают достаточную устойчивость движения корпуса и плуга соответственно.

Соблюдение условий совпадения направления линии тяги с продольной осью симметрии достигается поворотом корпуса или бруса плуга. При этом может быть обеспечено смещение плуга, в зависимости от условий работы пахотного агрегата, как в сторону вспаханного, так и невспаханного поля при движении колёс трактора на расстоянии от линии борозды 0,15...0,20 см.

На основе рассмотрения кинематики движения корпуса и плуга в горизонтальной плоскости с использованием графоаналитического метода, рисунок 5, определены пределы изменения параметров плуга при различных настройках, таблица 1.

Рисунок 5 - Графоаналитическое определение параметров плуга.

/ Табл настр ица 1 - Пределы изменения параметров поворотного плуга при различных юйках

№ п/п Наименование и обозначение параметра Значения параметра

ппп шах

1 Расстояние от края борозды до края колеса трактора, а, м 0,15 0,20

2 Угол поворота рамы, а, град 35 45

3 Угол постановки лемеха к стенке борозды, у, град 42 50

4 Ширина захвата лемеха, Ь„, м 0,46 0,50

5 Глубина подрезания пласта в смежном проходе, Д, м 0,08...0,10 0,12...0,14

6 Глубина зоны взаимного перекрытия лемехов, Двз, м 0,05...0,06 0,08...0,1

Рассмотрим схему лемешного поворотного плуга с лево- и право-оборачивающими корпусами и действия сил на пахотный агрегат. Особенностью разработанного навесного поворотного плуга с изменяемыми параметрами является наличие тягового бруса и бруса жесткости, с симметрично расположенными корпу-

Рисунок 6 - Силовое равновесие поворотного плуга в горизонтальной плоскости.

Конструктивное исполнение поворотного плуга позволяет исключить боковой увод трактора и обеспечить устойчивое прямолинейное его движение ввиду того, что жёсткая связь плуга с трактором разорвана, и трактор при действии поперечных сил на плуг представляет для него непреодолимую нагрузку.

Устойчивость плуга в горизонтальной плоскости обеспечивается за счёт симметричной нагрузки на левую и правую части плуга относительно центра крепления на тяговом брусе. При этом линия тяги, действующая по линии расположения тягового бруса, совпадает с продольной осью трактора и направлением движения. Кроме того динамическое равновесие плуга при отмеченном выше характере действия сил обеспечивается силой тяги достаточной для отрыва корпусов от стенки борозды при минимальном значении силы трения и смятия стенки борозды.

При работе, например, в правооборачивающем варианте, левая поверхность корпуса плуга опирается о стенку борозды, препятствуя развороту плуга в сторону вспаханного поля при максимальном боковом подрезании.

Положение линии тяги данного корпуса определяется из общепризнанных критериев равновесия сил и моментов, действующих на плуг в горизонтальной плоскости.

Уравнение моментов сил относительно центра поворота «О» плуга запишется в следующем виде:

0;

- /у2 + /у, - - К'к + КК + =0, (3)

где М'„, М"„ - поворачивающие моменты, кН-м; /,, /2, /з, и, 4, /п - соответствующие плечи действия сил, м; ^ - сила тяги, кН; Ръ [и - равнодействующие сил сопротивления правой и левой части плуга, соответственно, кН; - сумма реакций стенок борозды на опорную поверхность плуга, приложенная к условному среднему корпусу, кН; , Л,", - реакция почвы на опорные колёса плуга (передние: правое и левое, заднее, соответственно) кН; /т - длина тягового бруса, м; 1Ж - длина поворотного бруса (брус жёсткости), м; а, /? - углы поворота рамы и корпуса, соответственно, град; ал - возможный угол отклонения силы тяги, град, /мп - расстояние от центра «0» до условного среднего корпуса, м;<р- угол трения почвы по стали, град.

Необходимая сила тяги плуга при я; = К" выразится уравнением:

Ъ = (р2-к -^■',+^■',-4. -О".- (4)

Окончательно уравнение (4) при й?,=0 примет вид: Р^ =я; = [к, • 0,5/ж + А)--эт^+ <*,)+0,5^ 1Ж -$т{а + •/, ^та]//Т.(5)

Уравнение (5) устанавливает взаимосвязь изменяемых конструктивных и технологических (настроечных) параметров экспериментального поворотного плуга с величиной необходимой силы тяги, обеспечивающей отрыв опорной поверхности корпусов при некоторой величине бокового подрезания пласта. При

допустимой величине подрезания устойчивость плуга в горизонтальной плоскости будет соблюдена.

Снижение давления поверхности корпусов на стенку борозды обеспечивается смещением равнодействующей суммарных сил действующих на левую и правую часть корпуса влево на определённый угол.

Увеличение расстояния между корпусами приводит к снижению тягового сопротивления плуга в связи с тем, что отколотый пласт не упирается своим концом во впереди идущей корпус и не защемляется. Данное обстоятельство улучшает оборот пласта и не вызывает повышения сопротивления при вспашке.

Вывод полно согласуется с результатами исследований докт. техн. наук, профессора Бурченко П.Н.

В третьем разделе изложена методика и программа экспериментальных исследований, содержащая следующие этапы:

- провести лабораторно-полевые исследования физической модели экспериментального корпуса и дать оценку возможности его использования по назначению;

- провести экспериментальные исследования макетного образца плуга с изменяемыми параметрами, выявить тягово-энергетические и технологические показатели с учетом уровней варьирования настройки основных параметров;

- экспериментально исследовать устойчивость поворотного плуга в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- провести сравнительную эксплуатационно-технологическую оценку работы пахотных агрегатов с классическими, поворотными и оборотными плугами;

- дать технико-экономическую оценку эффективности предложенных технических решений.

Экспериментальные исследование пахотных агрегатов выполнены согласно общей методики Веденяпина Г.В., методик полевого опыта Доспехова Б.А., Са-акяна Д.Н. (оценка качества работы). Использованы нормативные документы: ОСТ 70.41-80, ОСТ 10.41-2001, ОСТ 10.4.1-2001, СТО АИСТ 4.1-2004, СТО АИСТ 4.1-2010, ГОСТ 20915-75 СТ СЭВ 5630-86, ГОСТ Р 52778-2007, ГОСТ Р 52777-2007.

Для определения тяговых усилий использованы тензодатчики, размещенные в механизмах навески трактора. Крутящие моменты определены с помощью тен-зовалов и тензополуосей с токосъемниками.

Подготовка силового оборудования выполнена на специальных стендах. Расход топлива определен с использованием расходомера типа ИП-179.

В состав измерительного комплекса динамометрической трактор-лаборатории входили: осциллограф К-12-22, тензоусилитель ТОПАЗ-З.02, приборы «Морион», ИМД-Ц согласующие блоки. Приборы размещались на стойке, смонтированной в кабине трактора Т-150К.

Общий вид экспериментального корпуса плуга представлен на рисунках 7, 8.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований» изложены вопросы тягово-энергетической оценки пахотного агрегата и поворотного плуга, эксплуатационно-технологической оценки работы плуга.

В ходе предварительных лабораторно-полевых испытаний выявлено, что конструкция корпуса обеспечивает выполнение процесса вспашки с оборотом пласта и возможность работы корпуса с изменяемой шириной захвата, обеспечиваемой поворотом удлинённого на 15...20 % лемеха. Увеличенная опорная поверхность корпуса за счёт левооборачивающей составляющей обеспечивает устойчивость и прямолинейное движение корпуса без ухудшения управляемости агрегата.

Сравнивалась работа пахотного агрегата в составе Т-150К+ПН-5-35 и трактора Т-150К с поворотным плугом. Экспериментальные исследования проведены на характерных для ЦФО почвах тяжёлого механического состава — тяжёлых суглинках. Агрофон — стерня зерновых. Влажность почвы находилась в интервале средних многолетних значений.

В первом варианте трактор Т-150К агрегатировался со стандартным плугом ПН-5-35 со средней шириной захвата Вр = 172 см, а экспериментальный плуг, аг-регатируемый с тем же трактором имел среднюю ширину захвата Вр = 183 см. Причём в рассматриваемых вариантах трактор двигался по вспаханному полю на расстоянии 0,15 м от края борозды.

Тяговое сопротивление экспериментального плуга даже при несколько увеличенной ширине захвата (около 10 %) имеет меньшее на 10...13 % тяговое сопротивление.

2

1 — стойка; 2 — правый лемех; 3 — левый лемех Рисунок 7 — Физическая модель корпуса плуга.

Рисунок 8 — Общий вид экспериментального корпуса поворотного плуга.

Исключение смятия стенки борозды за счёт увеличенной опорной поверхности корпуса и силы тяги, обеспечивающей отрыв заднего корпуса от стенки борозды, снижает общее сопротивление плуга.

Удельное тяговое сопротивление поворотного плуга изучено при различных углах постановки лемеха к дну борозды и скоростях движения пахотного агрегата. Результаты экспериментального исследования отображены на рисунках 9, 10.

—✓

А

л —

-А

^— Г -

■ту

1Л г.: ¡3

Рабочая скорость движения пакетного агрегата \'р, м/с Угол пестввсыги лемеха к стенке борозды -»— 4=38- ---л =42" -*--Т!=45'

у-амъ! * * 5Д:75 I - •,0635>> » 0№х * ИЛ7!? ♦ аДШ+ 5,€31'

Рисунок 9 - Изменение удельного тягового сопротивления поворотного плуга от скорости движения пахотного агрегата при различных углах постановки лемеха к дну борозды.

1,7 2,1 2,5 5/Ч 2,И 1,1

Ра1а<ая скорость цвндения ш»ш1г« агртгак, м.'с

РаЯ|чаа ширим [ихптисгаагтгегатв.и -*-Вр=М -о-Вр=1,7 -«-Вр=У

—Тяп»ва1 -х-95* пт шппв»й

Рисунок 10-Тягово-энергетические показатели пахотного агрегата Т-150К с экспериментальным поворотным плугом различной рабочей ширины захвата.

С увеличением угла постановки лемеха к дну стенки борозды и скорости движения пахотного агрегата удельное и общее тяговое сопротивление увеличивается, рисунок 9, а также происходит более интенсивное крошение почвы. Глубина заделки растительных остатков находится в интервале норматива и изменяется незначительно в пределах ошибки опыта.

Результаты экспериментальных исследований тягово-энергетических показателей пахотного агрегата с поворотным плугом Вр = 1,4-1,7 м, агрегатируе-мого с трактором Т-150К наложены на тяговую характеристику и представлены на рисунке 10, и подтверждают увеличение затрат мощности, тягового усилия и удельного сопротивления в связи с изменением ширины захвата и скорости агрегата. Следует учитывать также, что при движении колёс трактора по невспаханному полю улучшаются условия труда механизаторов.

Поворотные плуги могут устойчиво работать на скоростях 2,6-2,95 м/с в зоне оптимального агрегатирования при ширине захвата 1,4-2,1 м. Коэффициент использования мощности двигателя при этом не превышает уровня 0,9.

На стадии проектирования поворотного плуга устойчивость его в вертикальной плоскости предполагалось обеспечить за счёт установки трёх опорных колёс, движущихся по невспаханному полю.

Эффективность технического решения проверена экспериментально в ходе полевых испытаний. В соответствии с методикой определены горизонтальные составляющие тягового усилия в тягах навески (правой и левой), а также вертикальные реакции на опорные колёса поворотного плуга (заднее, передние - левое и правое). Отмеченные силы фиксировались тензодатчиками, с последующей записью на ленту осциллографа К-12-22.

Результаты экспериментальных исследований с учётом скорости движения пахотного агрегата представлены на рисунках 11, 12.

2.1 2.3 2,5 2,7

Рабочая пкар петь движения пахотного агрегата Ур, м'с

■ • правая тяга —О-- левая тяга

у-0,бЬс + 12.7 у=0,458х+12,01

1 175

о С

125

1г**

г!?-

41 У У V

^оочая скорость пахотного агрегата Ур,м^с Кол£саолута

-с-задннв -о- переднее правое -а-гередЕелввое у= 18,4 л +155.5

у= 1703*+ 114

у =6.91+ 146,5

Рисунок 11 — Горизонтальные составляющие тягового усилия в тягах навески.

Рисунок 12 - Вертикальные реакции на опорные колёса поворотного плуга.

Анализ представленного графического материала свидетельствует о том, что вертикальные нагрузки на опорные колёса плуга, при скорости движения агрегата в интервале V = 2,1-2,7 м/с, составляют 126...146 кг при коэффициенте вариации не более 6...8 % и имеют тенденцию к росту при увеличении скоростей. При этом характер и величина нагрузки на колёса практически не изменяются, то есть распределение равномерное.

Это подтверждает факт сохранения устойчивости поворотного плуга в вертикальной плоскости за счёт более равномерного распределения нагрузки на колёса. Кроме того, увеличенная масса плуга (по сравнению с базовым) также положительно влияет на его устойчивость и устраняет выглубление корпусов с изменением нагрузки.

Горизонтальные составляющие тягового усилия в механизме навески (левая

и правая тяга), суммарно представляющие тяговое сопротивление плуга практически равны, хотя в правой навеске они немного выше (до 10%).

Это свидетельствует о том, что трактор силой тяги обеспечивает отрыв заднего корпуса от стенки борозды, причём устойчивость движения в горизонтальной плоскости обеспечивается без смещения агрегата в сторону невспаханного поля (при работе, например, с правым оборотом пласта). При этом частота воздействия на органы управления по отношению к базовой схеме, резко снижается. Так, например, механизатор, работающий на тракторе Т-150К, вынужден для обеспечения устойчивости вести пахотный агрегат правыми колёсами по открытой борозде. При работе в указанном варианте шины трактора подвергаются повышенному износу со стороны стенки борозды, а поза механизатора не совсем комфортна.

При длине гона 800 м и более механизатор, работающий на гусеничном тракторе в режиме движения вне борозды, совершает более 150 управляющих воздействий, а при работе с поворотным плугом не более 30, то есть трудонапряжённость механизатора снижается и обеспечивается за счёт более устойчивого движения плуга и практического отсутствия воздействия плуга на трактор при установке тягового бруса и симметричности нагрузки на левую и правую части плуга.

Изучалась и сравнивалась работа пахотных агрегатов с трактором Т-150К, агрегатируемого с плугом ПЛН-5-35 и поворотным плугом (5 корпусов). Ширина захвата плугов в рассматриваемых вариантах составляла Вр=\,15 м.

Экспериментальные исследования проведены на полях ООО «Ленина» Ржаксинского района Тамбовской области. В хозяйстве преобладают почвы тяжёлого механического состава - тяжёлые суглинки. Влажность почвы по исследуемым горизонтам находилась в пределах средней многолетней, равной W=3l,2...32 %. Агрофоном служила стерня озимой пшеницы.

Сравнительные эксплуатационно-технологические показатели работы пахотных агрегатов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнительные эксплуатационно-технологические показатели работы пахотных агрегатов

Агрофон - стерня зерновых; Почва - тяжёлый суглинок; W = 31,2-32,0 %

Показатели Т-150К+ ПЛН-5-35 Т-150К +поворотный плуг (5 корп.)

1. Режим работы скорость движения, м/с 1,5 1,9

ширина захвата, м 1,75 1,75

глубина вспашки, см 31,6 31,9

2. Производительность, га/ч основного времени Ы 1,22

сменного времени 0,83 0,97

3. Эксплуатационно-технологические коэффициенты технологического обслуживания 0,99 0,99

надёжность технологи- 1,0 1,0

ческого процесса

использования сменного времени 0,72 0,81

4. Удельный расход топлива, кг/га 24,2 22,8

Анализ представленного материала свидетельствует об э< )фективности приме-

нения поворотного плуга. Рост производительности составляет 10...12 % при снижении погектарного расхода топлива в среднем на 7...8 % (22,8 кг/га вместо 24,2 кг/га).

Снижение тягового сопротивления обеспечило более высокую скорость движения пахотного агрегата с поворотным плугом до 1,9 м/с вместо 1,5 м/с при фактически равной ширине захвата агрегата и глубине обработки.

Сокращение непроизводительных затрат времени при использовании поворотного плуга обеспечило рост коэффициента использования сменного времени с

0.72.до 0,81.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора опубликованы в ведущих научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ и трудах институтов, использованы рядом предприятий.

В пятом разделе «Технико-экономические исследования» изложена методика, исходные данные и результаты расчётов по определению эффективности применения поворотных плугов.

Заключение

На основании анализа способов вспашки, конструктивно-технологических схем плугов и типов рабочих органов установлено, что перспективным направлением повышения эффективности технологического процесса является применение гладкой вспашки. Гладкая вспашка исключает образование свальных гребней и развальных борозд, что обуславливает: повышение коэффициентов рабочих ходов и использование сменного времени пахотными агрегатами, рост производительности машин, последующего цикла работ и реализуется наряду с оборотными, поворотными плугами. Результаты исследований поворотных плугов с изменяемыми параметрами позволяют сделать следующее заключение:

1. Конструктивно-технологическая схема плуга с поворотной в горизонтальной плоскости рамой, поворотными стойками в один ряд с рабочими симметричными отвальными поверхностями левого и правого оборота пласта, увеличенными параметрами лемехов, высотой стоек и их расстоянием между ними обуславливает: высокое качество работ; повышение производительности агрегатов; симметричность нагрузки при движении колёс пахотного агрегата вне борозды; снижение металлоемкости на 1800... 1900 Н и стоимости по отношению к оборотным плугам импортного производства в 2...3 раза;

2. Предложенные аналитические подходы и зависимости позволяют осуществить выбор наиболее эффективных параметров и режимов работы поворотного плуга, определить величину тягового сопротивления и необходимую силу тяги плуга в условиях варьирования уровня настроек в изменяющихся условиях применения по назначению.

3. Устранение полевой доски и компенсация результирующей нагрузки на лемех и оборачивающий отвал за счет боковой составляющей, действующей со сто-

роны подрезаемого снизу пласта, обуславливает снижение тягового сопротивления и повышает устойчивость плуга в горизонтальной плоскости.

4. Сравнительными экспериментальными исследованиями пахотных агрегатов с оборотными и поворотными плугами, агрегатируемыми с тракторами как импортного, так и отечественного производства установлено:

- причиной низкой производительности пахотных агрегатов с оборотными плугами, агрегатируемых с тракторами Нью-Холанд Т-8000, Атлас 946 (Клаас), Кейс МХ-310 является возросшее буксование колес трактором;

- производительность пахотных агрегатов с оборотными плугами составила 0,8...1,2 га/ч при расходе топлива указанными типами тракторов на уровне 23...25 л/га;

- введение в конструкцию поворотного плуга трёх опорных колёс, движущихся вне борозды, обеспечивает равномерные минимальные нагрузки в пределах 126...147 кг на каждое колесо при коэффициенте вариации 6...8 %;

- горизонтальные составляющие тягового усилия в механизме навески (левая и правая тяги), суммарно представляющие тяговое сопротивление поворотного плуга, имеют практически равное значение, а некоторое увеличенное усилие в правой тяге на 6,4...9,6 % по отношению к левой обеспечивает отрыв заднего корпуса от стенки борозды, снижая общее тяговое сопротивление плуга - при снижении числа управляющих воздействий на всей длине гона;

- отклонение экспериментальных данных от результатов аналитических исследований по определению тягового сопротивления плуга и силы тяги трактора не превышает 6...8 %, что указывает на правомерность использования предложенного аналитического выражения для расчётов;

- тяговое сопротивление поворотного плуга нелинейно зависит от скорости движения агрегата и остаётся ниже по сравнению с базовым плугом ПН-5-35 на 10...13 %;

- удельное тяговое сопротивление плуга возрастает при увеличении угла постановки лемеха к стенке борозды и угла поворота рамы жёсткости;

- тягово-энергетические показатели трактора Т-150К находятся в зависимости от ширины захвата плуга, тяговой нагрузки и скорости движения и при рабочей ширине захвата поворотного плуга в интервале 1,4...2,1 м тяговая мощность трактора составляет около 70 кВт при Ур = 2,6-2,95 м/с;

- применение поворотного плуга позволяет увеличить производительность пахотного агрегата в среднем на 10...12 % за счёт снижения тягового сопротивления, повышения скорости движения (с 1,5 до 1,9 м/с) и коэффициента использования сменного времени (с 0,72 до 0,81) при снижении погектарного расхода топлива с 24,2 до 22,8 кг/га.

5. Снижение эксплуатационных затрат при использовании экспериментального плуга по сравнению с классическим составило: 619,61 руб., а с оборотным плугом - 1028,28 руб. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составил 1,14 года.

Годовая экономия затрат труда при использовании поворотного плуга для гладкой вспашки по сравнению с двухзагонной беспетлевой вспашкой классическим плугом с последующим разравниванием свальных гребней и развальных бо-

розд (вариант 1) при объёме наработки в 230 га составила 30 чел.-ч, что достигнуто за счёт повышения производительности за 1 ч сменного времени.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в ведущих изданиях, рецензируемых ВАК России:

1. Тырнов Ю.А. Эффективность использования зарубежных агрегатов на основной обработке почвы и посеве [Текст] / Ю.А. Тырнов, A.A. Ногтиков, В.А. Минкин, C.B. Марнов // Техника и оборудование для села, 2010, № 3. - С. 27-29.

2. Зазуля А.Н. Действие сил на рабочие органы поворотного плуга с переменной шириной захвата и его тяговое сопротивление [Текст] / А.Н. Зазуля, A.B. Балашов, В.П. Белогорский, C.B. Марнов, Н.В. Михеев // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск: 2013, 1. — С. 56.

3. Зазуля А.Н. Эффективность использования поворотных плугов для гладкой вспашки почвы [Текст] / А.Н. Зазуля, A.B. Балашов, В.П. Белогорский, C.B. Марнов, Н.В. Михеев // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск: 2013. 1. — С. 48.

4. Зазуля А.Н. Повышение эффективности вспашки поворотным плугом [Текст] / А.Н. Зазуля, Ю.А. Тырнов, A.B. Балашов, C.B. Марнов, В.П. Белогорский // Техника в сельском хозяйстве, 1, 2013. - С. 4-6.

5. Тырнов Ю.А. Исследование показателей работы поворотного плуга для гладкой вспашки почвы [Текст] / Ю.А. Тырнов, А.Н. Зазуля, A.B. Балашов, В.П. Белогорский, C.B. Марнов // Техника в сельском хозяйстве, 1, 2013. - С.23-24.

Публикации в других изданиях:

6. Тырнов Ю.А. Оценка использования новых технологий производства зерновых культур. Повышение эффективности использования сельскохозяйственных машин и агрегатов [Текст] / Ю.А. Тырнов, A.A. Ногтиков, В.А. Минкин, C.B. Марнов //Сборник научных трудов ГНУ ВИИТиН. Выпуск № 15. - Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2008 - С. 10-14.

7. Тырнов Ю.А. Аналитическое обоснование силы тяги, обеспечивающей устойчивость симметричного поворотного плуга в горизонтальной плоскости [Текст] / Ю.А. Тырнов, А.Б. Балашов, C.B. Марнов // Наука в Центральной России, 2,2013.

8. Тырнов Ю.А. Повышение эффективности технологии вспашки почв за счет применения поворотного плуга [Текст] / Ю.А. Тырнов, A.B. Балашов, C.B. Марнов // Наука в Центральной России, 2, 2013.

9. Тырнов Ю.А. Поворотный плуг для гладкой пахоты с переменной шириной захвата [Текст] / Ю.А. Тырнов, A.B. Балашов, В.П. Белогорский, C.B. Марнов // Наука в Центральной России, 3, 2013.

Отпечатано ИП Першиным Р.В. Тамбов, Советская, 21, а/я №7.

Подписано в печать 05.06.2013. Заказ № 050613-02. Печать электрографическая. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Формат 60x90/16. Объем 1 усл.печ.л. Тираж 100 экз.

Государственное научное учреждение

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНИКИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии)

На правах рукописи

04201360759

Марнов Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСПАШКИ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОВОРОТНОГО ПЛУГА С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Зазуля Александр Николаевич

Тамбов 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

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

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

1.1 Анализ влияния конструктивных параметров элементов плуга

на устойчивость, показатели и режимы работы агрегатов........................ 10

1.2 Анализ научных исследований в области разработки теоретических основ проектирования лемешно-отвальных поверхностей плугов, обосновании их параметров и режимов...................................................... 21

1.3 Обзор патентных исследований в области совершенствования процесса и орудий для гладкой вспашки................................................... 26

Выводы................................................................................................................ 38

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................... 41

2.1 Основные технические и технологические требования к конструкции поворотного плуга......................................................................................... 41

2.2 Обоснование конструктивно-технологической схемы поворотного

плуга и корпуса с изменяемыми параметрами........................................... 43

2.3 Теоретическое обоснование условий равновесия и сохранения устойчивости корпуса. Технологические параметры корпуса

при изменении настроек................................................................................ 51

2.4 Теоретическое обоснование силы тяги и тягового сопротивления поворотного плуга с изменяемыми параметрами....................................... 55

Выводы................................................................................................................ 58

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................... 60

3.1 Программа экспериментальных исследований.......................................... 61

3.2 Общая методика экспериментальных исследований.

Приборы и оборудование............................................................................. 61

3.3 Общие методические указания к определению погрешности

средств измерений........................................................................................ 70

Стр.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................71

4.1 Результаты лабораторно-полевых исследований физической модели корпуса........................................................................................................................................................................................................................71

4.2 Тягово-энергетические показатели пахотных агрегатов

с поворотным плугом........................................................................................................................................................................72

4.3. Результаты экспериментальных исследований устойчивости пахотного агрегата с поворотным плугом в горизонтальной

и вертикальной плоскостях......................................................................................................................................................76

4.4 Сравнительная эксплуатационно-технологическая оценка работы пахотных агрегатов с классическими, поворотными и оборотными

плугами......................................................................................................................................................................................................................78

Выводы..................................................................................................................................................................................................................................81

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................83

5.1 Методика и исходные данные для расчетов........................................................................................................83

5.2 Результаты расчетов по определению эффективности применения поворотных плугов................................................................................................................................................................................88

Выводы..................................................................................................................................................................................................................................90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................91

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................................................................94

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................................................................................107

Приложение А - Исходные требования на разработку поворотного плуга

для гладкой вспашки (проект)......................................................................................................................................................108

Приложение Б - Заявка на изобретение 2012138513............................................................................114

Приложение В - Заявка на изобретение 2012125297............................................................................115

Приложение Г - Справка НТЦ «Аграрник»..........................................................................................................116

Приложение Д - Справка ООО «Квернеланд Групп СНГ»........................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Агротехническая целесообразность и доминирующая роль отвальной вспашки почв в вопросах активизации физических, биологических и химических процессов, повышении экологической безопасности и урожайности сельскохозяйственных культур доказана многочисленными научными исследованиями [1...7].

Дальнейшее повышение эффективности процесса связывается с разработкой новых технологий, совершенствованием конструкций и повышением потенциальных возможностей плугов, снижением энергозатрат за счёт оптимизации параметров и режимов работы агрегатов и стоимости плугов [8... 13]. Классические схемы плугов слабо приспособлены к ведению работ прогрессивными методами и не обеспечивают требуемого качества работ [14, 15, 16].

В связи с этим неизбежны потери рабочего времени и производительности пахотных агрегатов, обусловленные характером выполнения процесса при базовых технологиях вспашки, а также необходимостью обеспечения качества работ дополнительными приёмами [17].

Дооснащение плугов различного рода приспособлениями не приводит к значительному улучшению качества вспашки и вызывает повышение массы, энергозатрат, ухудшение маневренности агрегатов [14, 18].

Асимметричность нагрузки на трактор со стороны плугов классической схемы обуславливает ограничение ширины его захвата до величины соответствующей поперечной базе трактора по причине нарушения устойчивости и прямолинейности движения агрегата. Стабилизация устойчивости плуга требует применения дополнительных устройств. Однако введение в конструкцию плуга, например полевой доски значительно увеличивает тяговое сопротивление плуга [19, 20].

В связи с изложенным, для повышения эффективности отвальной вспашки необходима разработка эффективных технологий и технических средств, базирующихся на принципиально новых научных подходах и технических решениях.

Степень разработанности темы. Современной наукой разработана техно-

логия гладкой вспашки, основанная на обороте почвенного пласта лево- право-оборачивающими рабочими поверхностями плуга [21...28]. Разработаны и освоены в производстве особенно в зарубежных странах многочисленные конструкции оборотных плугов [29...50]. Вспашка осуществляется без образования свальных гребней и развальных борозд.

Повышенная масса и металлоёмкость оборотных плугов, высокая их стоимость, невозможность использование метода групповой работы агрегатов, по мнению [14, 17, 25, 26, 27] снижает эффективность их использования. Кроме того, стабилизация устойчивости оборотных плугов с шириной захвата, превышающей величину продольной базы трактора, возможна лишь при движении передних и задних колёс трактора (левых или правых в зависимости от направления движения) по открытой борозде [18, 19]. Отечественные тракторы в силу отсутствия в их конструкции систем силового и позиционного регулирования плохо агрегатируются с зарубежными оборотными плугами [26]. Последние в большей степени комплектуются винтовыми отвальными поверхностями, и их использование при вспашке старопахотных земель противоречит рекомендациям отечественных учёных [18, 19].

Продолжительное время в нашей стране и за рубежом ведутся разработки по созданию фронтальных плугов для гладкой вспашки [25, 26, 27]. Сложность конструкции рабочих агрегатов для укладки пласта в собственную борозду, ограничение глубины обработки, неудовлетворительная укладка и заделка растительных остатков ограничивают область их применения.

Одним из путей решения проблемы реализации гладкой вспашки является разработка поворотных плугов. По мнению [17, 21, 22, 23, 24] поворотные плуги менее сложны и металлоёмки. Однако конструктивные исполнение рабочих органов не позволяет осуществлять качественный оборот и крошение пласта, полноту заделки растительных остатков.

В связи с этим, исследования связанные с разработкой (более совершенных) новых конструктивно-технологических схем плугов для гладкой вспашки, обоснование их параметров и режимов их работы представляют актуальную научную задачу и имеют важное хозяйственное значение.

Актуальность темы исследований подтверждена заданиями Россельхоза-кадемии. Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Рос-сельхозакадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.06.04 «Разработать улучшенную технологию основной обработки почвы и эскизный проект комбинированного агрегата», 09.01.03.04. «Разработать конструкторскую документацию и опытные образцы рабочих органов поворотного плуга для гладкой вспашки в системе сидерального земледелия», планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 2011-2015 гг.

Цель работы - обоснование параметров и режимов работы поворотного плуга, обеспечивающих повышение устойчивости плуга, снижение энергетических затрат и повышение производительности пахотных агрегатов.

Задачи исследований:

- разработать конструктивно-технологическую схему поворотного плуга для реализации гладкой вспашки с движением трактора и колес плуга вне борозды;

- обосновать параметры и режимы работы поворотного плуга, обеспечивающие требуемые показатели качества, энергозатрат и устойчивость движения плуга и трактора с учетом их конструктивных особенностей;

- разработать теоретические зависимости по определению требуемой силы тяги поворотного плуга и выявить характер изменения тягового сопротивления в пределах заданных параметров и режимов работы;

- экспериментально подтвердить правомерность результатов теоретических исследований и выявить влияние технологических режимов, параметров плуга и трактора на эксплуатационно-технологические показатели и качество выполнения работ;

- дать технико-экономическую оценку эффективности предложенных технических решений.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

- конструктивно-технологические схемы корпуса и поворотного плуга для гладкой вспашки (положительное решение по заявке №2012125297, заявка на изобретение № 2012138513);

- аналитические зависимости для расчета параметров и режимов работы поворотного плуга;

- аналитические зависимости для расчета требуемой силы тяги плуга с учетом варьирования установочных параметров и устойчивости его движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать параметры и режимы работы поворотных плугов, определить энергозатраты на осуществление гладкой вспашки с учетом условий работы агрегатов, физико-механических свойств почвы.

Поворотный плуг позволяет повысить производительность пахотного агрегата на 10... 12 % при одновременном снижении погектарного расхода топлива в среднем на 7...8 % (22,8 кг/га вместо 24,2 кг/га).

Сокращение непроизводительных затрат времени при использовании поворотного плуга обеспечило рост коэффициента использования сменного времени с 0,72 до 0,81. Опытные образцы поворотного плуга прошли апробацию в ООО «Ленина» Ржаксинского района Тамбовской области при возделывании зерновых и зернобобовых культур.

Разработан проект исходных требований на разработку поворотного плуга для гладкой вспашки и конструкторская документация на его изготовление.

Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, предприятиям и организациям, занимающимся разработкой новых технических средств для обработки почвы, ВУЗам - при подготовке агроинженеров.

Объект исследований: технологический процесс основной обработки почвы поворотными плугами, параметры и режимы работы поворотных плугов и ра-

бочих органов.

Предмет исследований: закономерности изменения показателей качества и топливно-энергетических затрат пахотных агрегатов с поворотными плугами с учетом изменения в процессе использования установочных параметров.

Аналитические исследования рабочих органов выполнены с использованием методов классической механики, математики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных, лабораторно-полевых и эксплуатационных условиях в соответствии с ОСТами, ГОСТами и частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена с использованием статистических методов с применением компьютеров. Положения, выносимые на защиту:

Результаты теоретических исследований по обоснованию параметров и режимов работы плуга, определению энергозатрат на реализацию гладкой вспашки с учетом уровня варьирования параметров.

Результаты экспериментальных исследований и сравнительных испытаний плугов.

Технико-экономическое обоснование эффективности предложенных технических решений по совершенствованию поворотного плуга и корпуса для реализации гладкой вспашки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением современной контрольно-измерительной и вычислительной техники;

- объемом экспериментальных исследований;

- согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены и обсуждены: на заседании Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (2009, 2010 гг.), на заседаниях Ученого Совета ГНУ ВНИИТиН (2009-2012 гг.), на заседаниях научно-технических советов ООО НТЦ «Аграрник» (г. Тамбов), фирмы Квернеланд (представительство

- г. Зеленоград Московская область) (2010, 2011 гг.), на Всероссийской и Международных научно-практических конференциях:

на Всероссийской научно-практической конференции 6-8 февраля 2008 г., «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» ГСХА, г. Ульяновск;

на Международной научно-практической конференции 20-22 мая 2008 г., «Актуальные вопросы аграрной науки и образования», ГСХА, г. Ульяновск;

на XV Международной научно-практической конференции 18-19 сентября 2009 года «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов;

на XVI Международной научно-практической конференции 20-21 сентября 2011 г. «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов.

По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей общим объемом 2 печатных листа, из них лично соискателю принадлежат 1,3 п.л., в том числе 5 статей - в изданиях, поименованных в «Перечне ведущих журналов и изданий» ВАК РФ, 5 статей опубликованы в сборниках научных трудов, материалах научно-практических конференций и журналах.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 117 страниц машинописного текста и содержит 7 таблиц, 47 рисунка, 5 приложений. Список литературы включает 152 наименования.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ влияния конструктивных параметров элементов плуга на устойчивость, показатели и режимы работы агрегатов

Производительностью пахотного агрегата (¡V) во взаимосвязи с шириной захвата плуга (В, м) и скоростью (¥р, м/с) определяется уравнением вида [51...55]:

Ж = 0,365 -Ур-т, га/ч (1)

где т - коэффициент использования времени.

Условия использования агрегата связаны с производител