автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование конструкции пропашного культиватора для обработки почв засоренных камнями

На правах рукописи

'Шосшд^^

Коробейник Иван Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОПАШНОГО КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВ ЗАСОРЕННЫХ КАМНЯМИ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 4 СЕН 2014

005552243

Владикавказ - 2014

005552243

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Горский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: Кудзаев Анатолий Бештауович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Шекихачев Юрий Ахметханович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В. М. Кокова», профессор кафедры «Технической механики и физики»;

Назаров Евгений Александрович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», старший преподаватель кафедры «Тракторы, автомобили и теплотехника»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится «c&t» ^^тЯ- 2014 г. в 10 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.008.02* при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», по адресу: 400002, Волгоградская область, г. Волгоград, пр. Университетский, 26 (зал заседаний диссертационного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», с авторефератом - на официальном сайте университета ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»: http: // www.volgau.com, а также на сайте ВАК Минобрнауки РФ: http: //vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан « » ОЛУЩОУПО/_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

яднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Общеизвестно, что при возделывании сельскохозяйственных культур, засоренность полей камнями осложняет проведение технологических операций по обработке почвы. Издержки предприятий, использующих технику на каменистых почвах, возрастают на 10-15 %, при одновременном сокращении срока службы машин на 15-28 % по сравнению с обычными условиями эксплуатации. К числу таких операций относится культивация междурядий пропашных культур, занимающих в Северо-Кавказском Федеральном Округе площадь свыше 370 тыс. га, из которых 77 тыс. га расположены в Республике Северная Осетия-Алания. Только в PCO-Алания от 30 до 50 % земель, на которых возделываются пропашные культуры, засорены камнями.

Для выполнения культивации промышленностью выпускаются специальные машины — культиваторы, которые можно разделить на две большие группы: культиваторы с жестким креплением к раме рабочих органов и культиваторы с шарнирным креплением, реализованным путем параллелограммной подвески рабочих органов. Последние имеют более сложную конструкцию, но положительно себя зарекомендовали, прежде всего, благодаря хорошему копированию микрорельефа поля секциями машины. Однако при их эксплуатации на почвах, засоренных камнями, часто возникают поломки (выгибаются грядили, стойки рабочих органов и т.д.). В последние годы в зарубежном сельхозмашиностроении наметилась тенденция оснащения пропашных культиваторов упругими подвесками рабочих органов или упругими стойками, что позволяет улучшить качество обработки почвы и снизить тяговое сопротивление рабочих органов. Однако применяемые ими стойки и подвески имеют небольшую жесткость и не подходят для работы на почвах, засоренных камнями предгорной и горной зон PCO-Алания.

Перспективным решением этой проблемы является разработка и создание упругих стоек и подвесок рабочих органов, использование которых в сочетании с предохранительными системами позволит повысить надежность пропашных культиваторов и снизить энергозатраты на обработку почвы и обход камней.

Проектирование и создание упругой подвески рабочего органа, обладающей достаточной прочностью, надежностью и наименьшей металлоемкостью связано с громоздкими расчетами и невозможно без соответствующего программного обеспечения и компьютерной программы.

Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку вопросов создания упругих стоек, подвесок и предохранительных систем для культивато-

3

ров внесли отечественные ученые: Г.Н. Синеоков, И.М. Панов, Г.А. Рябцев, A.C. Кушнарев, В.П. Базаров, A.A. Вилде, A.A. Дубровский, С.А. Инаекян, В.Г. Мате-восян, А.Б. Кудзаев, В.А. Хадаев, А.Э. Цгоев, Н.Е. Руденко, С.Ю. Дмитриев, A.B. Стрикунов, А.Е. Муравьев, В.Ф. Клейн, В.Р. Алфеев, Н.Г. Кузнецов, Е.А. Назаров, И.В. Игнатенко, В.И. Игнатенко, Р.Л. Сахапов, Н.К. Мазитов, C.B. Левицкий, М.А. Донченко, A.A. Колмыков. Из зарубежных ученых можно отметить работы I.Humman, A. Cassel, A. Muller, El-Awad Sheikh, El Din Abdel Gadir, Crossley С. P. и другие. Анализ работ вышеперечисленных авторов показал, что применительно к созданию эффективных упругих стоек, подвесок и предохранителей для пропашных культиваторов, отдельные положения нуждаются в дальнейшей разработке.

Результаты анализа конструкций культиваторов и применяемых упругих стоек и подвесок позволяют заключить, что они обладают рядом недостатков, к числу которых относятся: их большая масса, недостаточная жесткость при установке на них окучивающих корпусов, сложность конструкций предохранительных систем и устройств для повышения жесткости упругих элементов, позволяющие обходить препятствия, высотой больше чем глубина хода рабочего органа. Устранение этих недостатков позволит повысить надежность конструкций, качество обработки почвы, снизить тяговое сопротивление машины, сохранив высокую универсальность базовых моделей культиваторов.

Цель работы. Повышение эксплуатационных показателей пропашных культиваторов при работе на засоренных камнями почвах с одновременным снижением энергоемкости процессов обработки почвы и обхода камней.

Задачи исследований:

1) разработать рациональные технологические схемы модернизации секции пропашного культиватора, предназначенного для работы на почвах засоренных камнями;

2) разработать аналитические зависимости для расчета основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы и предложенных предохранительных устройств;

3) разработать компьютерную программу по расчету упругих стоек и подвесок различной формы с возможностью визуализации результатов расчета;

4) провести исследования микрорельефа полей предгорной зоны и размерно-массовых характеристик встречающихся камней;

5) провести лабораторные и полевые экспериментальные исследования предложенных конструкций с целью уточнения их параметров и определения показателей качества работы;

6) определить экономическую эффективность от внедрения предложенных технических решений.

Научную новизну представляют:

- полученные аналитические зависимости и результаты комплексного расчета основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы, а также рациональные параметры предложенного предохранителя;

- компьютерная программа для определения основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы, в математической модели которой были учтены такие факторы, как углы поворота отдельных элементов упругих подвесок, что привело к более точному описанию процесса взаимодействия рабочего органа пропашного культиватора со скрытым в почве препятствием;

- рекомендуемые значения коэффициента жесткости предлагаемых упругих подвесок рабочих органов пропашных культиваторов применительно к условиям эксплуатации на почвах предгорной и горной зон PCO-Алания.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработано математическое обеспечение необходимое для создания комплексной программы по расчету упругих стоек S-образной формы, упругих подвесок е-образной формы и упругих подвесок замкнутого типа, предназначенных для установки центральных и боковых рабочих органов на секциях с параллелограммной подвеской пропашных культиваторах. Разработаны аналитические зависимости необходимые для расчета рациональных значений предохранителя пропашного культиватора и определены их численные значения. Предложенные конструкции имеют широкий диапазон регулировок и меньшее тяговое сопротивление по сравнению с серийными образцами. Результаты работы рекомендуются для использования научно-исследовательскими, проектными и сельскохозяйственными машиностроительными организациями при проектировании и обосновании параметров упругих стоек и подвесок рабочих органов пропашных культиваторов.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных законов земледельческой механики, теоретической механики, сопротивления материалов. Экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с действующими методическими требованиями и отраслевыми стандартами, кроме того, использовался метод тензометрирования и

динамометрирования. Обработка полученных результатов осуществлялась методами математической статистики, корреляционно-регрессионного и спектрального анализа с применением компьютерных программ.

Положения, выносимые на защиту: основные положения научной новизны и практической значимости.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается достаточным объемом экспериментального материала, применением стандартных методик математико-статистической обработки данных, удовлетворительной сходимостью экспериментальных и теоретических данных. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Горского ГАУ 2007...2014 г.г., на конференциях молодых ученых и аспирантов Горского ГАУ 2007...2014 г.г., на У1-ой Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» (Владикавказ, 2007 г.), на Международных конференциях «Научное обеспечение устойчивого развития агропромышленного комплекса горных и предгорных территорий», посвященных 90-летию Горского ГАУ (Владикавказ, 2008 г) и 95-летию Горского ГАУ (Владикавказ, 2013 г.), на НТС МСХ РСО-Алания (2010 г.), на IV Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2013 г.). Работа является победительницей конкурса У.М.Н.И.К. (г. Москва, 2011 г.) и удостоена диплома выставки НТТМ 2011 г.

Результаты исследований одобрены и приняты к внедрению в хозяйствах Республики Северная Осетия-Алания, а также госхозе «Саниба» Пригородного района РСО-Алания. Разработка удостоена премии Главы Республики Северная Осетия-Алания в области науки и техники для молодых ученых (Владикавказ, 2012 г). Материалы исследований используются в учебном процессе Горского государственного аграрного университета.

По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 10 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в том числе, один патент на изобретение №2340136 МПК А01В 35/24 и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2010614851. Общий объем опубликованных работ составляет 8,57 п. л., из них 4,49 п. л. принадлежит автору.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, изложены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, достоверность научных исследований и методология их проведения, практическая апробация полученных результатов.

В первой главе диссертации «Состояние вопроса культивации пропашных культур в горной и предгорной зонах и анализ конструкций применяемых технических средств», первоначально проанализированы исследования по засоренности камнями почв горной и предгорной зон Северо-Кавказского региона. Затем рассмотрены конструкции машин и их рабочих органов основных отечественных и зарубежных производителей культиваторов. Проанализированы научные работы, посвященные созданию упругих стоек, подвесок и предохранительных систем для пропашных культиваторов, а также культиваторов для сплошной обработки почвы.

Во второй главе диссертации «Обоснование рациональной конструктивно-технологической схемы модернизации секции пропашного культиватора, предназначенного для работы на почвах засоренных камнями», было разработано несколько технологических схем модернизации секции пропашного культиватора.

В первой схеме (рисунок 1) для предохранения от поломок центральный рабочий орган 9 оснашался пружинным предохранителем 3. Предполагалось, что тяговое сопротивление в процессе работы должно было снижаться за счет колебаний рабочего органа, возникающих из-за изменяющегося сопротивления почвы и упругой опоры 8 под кронштейном предохранителя 5. Эта схема защищена патентом РФ №2340136.

На рисунке 2а представлена вторая конструктивно-технологическая схема для центрального рабочего органа, в которой рабочий орган крепится к упругой подвеске замкнутого типа. Во время работы, из-за изменяющегося сопротивления почвы, рабочий орган колеблется с амплитудой, не выходящей из заданных при проектировании пределов, что способствует снижению тягового сопротивления и соблюдению заданной глубины обработки. При встрече с препятствием, упругая подвеска играет роль амортизатора. Жесткость подвески можно изменять, выполнив ее составной - добавляя или убирая дополнительные скобы. В зависимости от твердости почвы, предохранитель регулируется предварительным сжатием пружины.

1 - звено параллелограммного механизма; 2 - кронштейн для пружины; 3 - пружина; 4 - тяга; 5 - поворотный кронштейн; 6 - грядиль; 7 — упорная пластина; 8 — упругий элемент; 9 - рабочий орган.

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема первого варианта модернизированной секции а) б) в)

Рисунок 2 - Конструктивно-технологические схемы модернизации секции:

а - второй основной вариант для центрального рабочего органа; б — первый вариант для боковых рабочих органов; в — второй основной вариант для боковых рабочих органов

В схеме для боковых рабочих органов (рисунок 26) отличия заключаются в параметрах подвески и способа расположения пружины предохранителя, что также влечет за собой изменение некоторых его параметров. Недостатком этой схемы является большое значение массы секции, в связи с чем, было принято решение о разработке для боковых рабочих органов е-образных упругих подвесок (рисунок 2в), параметры которых при высоком качестве обработки почвы обеспечивали бы снижение энергоемкости процессов обработки и обхода камней.

В третьей главе «Теоретические исследования по обоснованию основных параметров совершенствуемого культиватора» рассмотрены вопросы расчета жесткости 8- образных стоек, е - образных подвесок, подвесок замкнутого типа и предохранителей пропашных культиваторов.

В разделе посвященному расчету Б-образных стоек первоначально дается вывод выражений для расчета перемещения носка рабочего органа от прикладываемой силы. На рисунке 3 приведена расчетная схема упругой Б- образной стой-

ки. Как видно из рисунка стойка содержит: три верхних криволинейных участка с радиусами гь г2, г3 с соответствующими углами их поворота фь ф2 и ф3, прямолинейный участок СМ и два криволинейных участка с радиусами Яь Я2 с углами поворота 71 и у2- Носок стойки (точка Ы) отклонен от вертикали на угол Р1.

Обозначим угол поворота радиуса Я] - у/. Тогда, соответственно для радиуса Я2 — У2, О — <Рь г2 - <¡>2 и г3 — <р3. Конечные положения радиусов определяются

следующими углами: 0.1=4)4, а2=а.1+<Рз\ «2 у<Ръ о-4=аз+Ч>1', 02=01+72 п Рз=р2+У1, рад. Рассмотрим участок стойки, имеющий радиус кривизны г, (рисунок 4).

Величина изгибающего момента от действия горизонтальной силы Ргор на рассматриваемом участке равна:

Р^Д Е>М-

Рисунок 3 - Расчетная схема упругой S-образной стойки

Рисунок 4 - Схема к определению перемещения участка с радиусом п

К* =РгоР-[ (R2 cos А - R2 cos Рг) + <Л cos рг - Л, cos Д) + / sin а, + + (г, cos а, - г, cos а2) + (r2 cos аг - r2 cos аг) + (г, cos а, - г, cos ф) }

(1)

Для определения горизонтального перемещения в точке Е прикладываем единичную силу Р = 1Н по направлению оси абсцисс. Единичный изгибающий

момент равен:

М, = 1 ■ (г, cos or, - г, cos <р). (2)

Выражение для определения перемещения имеет вид:

8 = (3)

I

где Е - модуль упругости первого рода (модуль Юнга), Па; Jх - момент инерции сечения, м4.

Для вывода уравнения горизонтального перемещения носка стойки необходимо в уравнение (3) подставить выражения (1) и (2), и проинтегрировать, в нашем случае, по участку дуги ¿Б = гхй<р. Тогда получим: Р г2

Ке = • С0551^ • («4 - «;) - НГ О™ «4 - 5 ¡П а,) + г, соб2 а3 ■ (а4 - а,) -

-2cosa, -(sina4 -sina3) + r, -[(0,5а4 - 0,5a3) + (0,25sin2at -0,25sin2ar3)]},

где

Я, =[(^2 cos/?, -^cos^2) + (7?, собД -ñ,cos/?3)+/sina; + (r3cosa; -r3cosa2) + + (r2 eos«, -r2 cosa,)}

Определяя вертикальное перемещение свободного конца рассматриваемого сечения, получаем выражение:

.Р' ■(//, +/;cosa3 -^cos^^/^sin^-^sinafj)-/-,^

^пртЕ J"

EJ.

решая которое получим: Р г2

= -ТГГ ■ [Я1 • (cosa3 - cosa4) +1 cosa, • (cosar3 - cosarj -tJ x

-r, -(0,5sin2a4 -0,5sin2or3)-^sinar3 -(ar4 -a3)-^cosa3sinar3 -(ar4 -a3) + + rlsina3 -(sina,, -sinar3)}

Далее находим вьфажение для расчета угла поворота свободного конца рассматриваемого элемента <p¡?:

<Ре

Р г

= _£2£_L.[#1 -or3) + /¡cosar3-(а4 -а,)-г, -(sina4 -sinar,)}

EJ,

Затем в работе приведен вывод формул для расчета значений горизонтальных и вертикальных перемещений, углов поворота для остальных пяти участков стойки.

В большинстве стоек, для уменьшения сопротивления почвы и меньших значений ширины бороздок, остающихся после прохода рабочих органов, нижняя часть стоек выполняется сдавленной с боков, что увеличивает значение момента инерции Jx. Для таких стоек значение коэффициента горизонтальной жесткости С можно определить по формуле:

С =__(4)

г°Р И3сумгор+((К2 ««/?! -/?2 С03/?2) + (Л1 СОб/}2 СОБ^-Бт~^<Рсум' м

где Х^су.и гор • ^Цфсум ' суммы горизонтальных перемещений концов участков секций и их углов поворота.

Затем в работе приводится вывод выражений для расчета коэффициента горизонтальной жесткости для е-образной подвески, схема которой приведена на рисунке 5. Для расчета значений горизонтальной жесткости е-образной упругой подвески нами получено выражение:

15.71/?/;__+ 9.065/?2 1+/г__пгг/р- Х355-

Е/

С гор = 1 Rhcm + 9,065Л2 ]+ hcm • sin- arctg

EJli

EJ

(5)

( \щJD

N. с в

bel

Р А

Рисунок 5 - Упрощенная схема е-образной подвески с рабочим органом

Рисунок 6 - Схема к расчету упругой подвески замкнутого типа

Для расчета значений горизонтальной жесткости предложенных упругих подвесок замкнутого типа (рисунок 6) получено выражение:

С = -

1,14 hr

+ С ,

ого9

(6)

где Сагр — жесткость ограничителя, Н/м.

Далее в работе приводятся исследования по определению рациональных параметров предохранителей для центрального и бокового рабочих органов секции культиватора. Для анализа изменения тягового сопротивления секции, возникающего при срабатывании центрального предохранителя, получено выражение:

_ Pv" [cosР" (A sin(A^) + /2 cos(Aу)) + sin /?•(/, cos(A/) - /2 sin(A^))] [^„•cos(y0 + A/)/cos/0j '

где l¡, h - соответственно горизонтальное и вертикальное плечо предохранителя, м; РПр— сила сопротивления предохранителя, Н; Р - угол наклона тяги центрального предохранителя, рад;

Р =

л РП

уо - начальное значение угла между вертикалью, проходящей через шарнир кронштейна

предохранителя и линией проходящей через него и носок рабочего органа, рад; Ау - угол поворота кронштейна, рад; hpo - высота стойки рабочего органа, м.

Усилие срабатывания предохранителя, согласно рекомендациям ученых (И.М. Панова, Г.Н. Синеокова) должно быть не менее Рср=2,7...3Рраб, где Рраб -среднее значение тягового сопротивления рабочего органа; для корпуса окучника при нарезке гребней Рраб=500...700 Н; следовательно - Рср=1350...2100 Н, которое хорошо согласуется с исследованиями почв РСО-Алания. По результатам расчета при Рср=1700 Н, высоте стойки рабочего органа hpo=0,38 м, рациональные значения параметров центральной секции равны: плечи I, е [0.. .0,015]м, 12е[0,04...0,05]м, диаметр прутка пружины d=0,022 м, диаметр пружины D=0,105 м, количество витков пружины п=6, угол установки предохранителя ß=24...30°.

Для расчета тягового сопротивления возникающего при срабатывании бокового предохранителя получено выражение:

_ С/, К + A) - [cosfo + А у) - tgß • sin(or0 + АГ)]

тс ~ и ^ ' W

где Сщ, - жесткость пружины предохранителя, Н/м; А - величина сжатия пружины, м; Д„р - величина предварительного сжатия пружины, м;

ао - начальное значение угла наклона кронштейна предохранителя, рад; а - величина выглубления рабочего органа, м; ß - угол наклона тяги пружины к вертикальной оси, рад. По результатам проведенных на компьютере расчетов диаметр прутка пружины d=0,014 м, средний диаметр витков D=0,094 м, шаг витков tcp=0,035 м, плечо Ье[0,08...0,13] м, угол наклона плеча аое[10...30°], плечо 12=0,1 м. При этом смещение носка рабочего органа относительно вертикальной оси Ьсме [0.. .0,23] м.

В четвертой главе работы первоначально рассмотрен алгоритм компьютерной программы по моделированию упругих стоек и подвесок различной формы. Графическая интерпретация полученных выше математических зависимостей легла в основу программы написанной на языке «Visual Basic for Application», алгоритм которой представлен на рисунке 7. По окончании работы программы, расчётная таблица содержит более 50 тысяч вариантов и конструктор, принимая во внимание имеющиеся технологические возможности, выбирает стойку или подвеску с наиболее рациональными параметрами.

Рисунок 7 - Блок-схема программы по расчету параметров упругой стойки

Расчеты показали, что для создания упругой подвески для центрального рабочего органа подходит полоса из рессорной стали сечением 140><16 мм и основным радиусом верхней части стойки 11= 125... 132 мм. Учитывая большое значение массы подвески (20 кг) и принимая во внимание то, что она расположена в конце грядиля, а также невозможность изменения ее жесткости без дополнительных устройств, предпочтение было отдано подвескам замкнутого типа. Также установлено, что для боковых рабочих органов возможно несколько эффективных вариантов. Так, хорошие показатели имеет вариант составной упругой подвески с

основным радиусом первого элемента 11=125...132 мм и сечением 90><14 мм и второго элемента с параметрами (11=100... 110 мм, ЬхЬ=75хЦ мм). Жесткость такой подвески зависит от типа соединения наружного конца внутреннего элемента подвески с наружным элементом и колеблется в пределах Сгор=[14...17] Н/мм.

Для проверки адекватности разработанного математического обеспечения и уточнения основных параметров подвесок, имеющих удовлетворительные характеристики, в лабораторных условиях на кафедре Тракторы и с.-х. машины Горского ГАУ нами были изготовлены экспериментальные образцы (рисунок 8 и 9), часть которых была закалена на владикавказском заводе «Электроконтактор».

Рисунок 8 - Модернизированная секция Рисунок 9 - Модернизированная секция про-

пропашного культиватора (схема 26) пашного культиватора (с учетом схемы 2в)

Для изучения жесткостных характеристик использовался лабораторный стенд, который был оснащен динамометром, винтовым механизмом, горизонтальной и вертикальной измерительными линейками. Образцы, не имевшие удовлетворительных характеристик жесткости или выглубления из дальнейших исследований, исключались. При помощи стенда также изучалась частота собственных колебаний рабочих органов, закрепленных на упругих подвесках, а также характеристики пружинных предохранителей центрального и боковых рабочих органов секции пропашного культиватора. Результаты исследования горизонтальной жесткости и частот собственных колебаний приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы, из всех вариантов для боковых рабочих органов вполне подходит одна упругая подвеска замкнутого типа (№8) и одна е-образная (№5) соответственно с жесткостью 18,3 и 14,4 Н/мм. Для установки рабочих органов по центру секции подходит упругая составная подвеска замкнутого типа (№10) с жесткостью 25,6 Н/мм.

Таблица 1 - Результаты экспериментального исследования жесткости и частоты собственных колебаний опытных образцов упругих стоек

8 - скоростемер

Адекватность разработанных аналитических зависимостей и экспериментальных данных проверялась при помощи критерия Фишера. Установлено, что между отклонением рабочего органа и нагрузкой существует сильная связь, коэффициент корреляции 11=0,998. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными составило от 6,8 до 8,31 %.

Далее нами исследовалась предохранительная система. С этой целью на секцию устанавливался измененный кронштейн с матрицей для изменения плеч предохранителя. Секция закреплялась на стенд и динамометрировалась. Эксперименты также показали, что разработанные конструкции обеспечивают хорошее соблюдение глубины обработки.

В серию лабораторных опытов по изучению предохранительных систем входили исследования процесса взаимодействия опытных образцов упругих подвесок с препятствиями. Эксперименты проводились при помощи построенной нами машины (рисунок 10) для испытания почвообрабатывающих рабочих органов, оснащенной: тензодинамометром, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), тензоусилителем, электростанцией и электронным скоростемером.

1 - рама; 2 - параплелограммные подвески; 3 - подвесная рамка; 4 - динамометр; 5 - опорные колеса; 6 - секция культиватора; 7 — ролик.

Рисунок 10 - Эксперименты по исследованию тягового сопротивления при обходе препятствия рабочим органом, установленным на модернизированной секции

Эксперименты проводились при креплении на секцию различных рабочих органов и движении машины со скоростью в среднем 1,29, 1,54 и 1,72 м/с. Тяговое сопротивление для жесткозакрепленных рабочих органов колебалось до 3,4кН, а при упругом креплении - до 2,5 кН, т.е. такой тип крепления, способствует снижению усилия по обходу препятствия.

Перед проведением полевых исследований нами изучался микрорельеф некоторых засоренных камнями полей предгорной зоны РСО-Алания и размерно-массовые характеристики камней. Исследованиями было установлено, что на расстоянии 1,5...2 м могут встретиться перепады до 0,06 м. Кроме того, определены значения коэффициентов а и из уравнения нормированной корреляционной плотности: p!(l) = e~"n cos/31, где а=18,971м"', р=62,8 рад/м. Анализ полученных результатов позволил констатировать, что наибольший вклад имеют колебания с периодом Т=3,48 м.

По результатам статистической обработки размерно-массовых характеристик камней было определено, что среднее значение длины камней составляет 0,124 м, ширины - 0,0906 м, толщины (высоты) - 0,0604 м. Распределение экспериментальных данных подчиняется нормальному закону распределения. Средняя масса камней на экспериментальных участках составила 1,41 кг.

В ходе полевых исследований изучались: 1) тяговое сопротивление различных рабочих органов установленных на модернизированной секции и традиционной, 2) надежность обхода встречающихся камней, 3) качество обработки почвы. Опыты проводились при помощи вышеописанной универсальной испытательной машины на полях Горского ГАУ, при обработке на различную глубину посевов кукурузы на 3, 4, 5 и 6 передачах трактора МТЗ-80, что соответствует скоростям: 1,04,1,29,1,33 и 1,52 м/с.

Секция комплектовалась по общепринятым схемам: окучивающим корпусом, универсальной стрельчатой лапой с подкормочными ножами или односторонними полольными лапами (бритвами), закрепленными на упругих подвесках замкнутого типа в одном варианте и жестком — в другом. Кроме того, подкормочные ножи исследовались в вариантах жесткой установки и упругого крепления на секции при помощи е-образных подвесок.

По результатам полевых исследований установлено, что разработанные упругие подвески пропашного культиватора обеспечивают снижение тягового сопротивления в среднем: для подкормочных ножей - 10,2, универсальных стрельчатых лап - 4,1, односторонних полольных лап - 8,9, окучивающих корпусов - 15, а при использовании е-образных подвесок для боковых рабочих органов — до 30%. В таблице 2 приведена часть результатов полевых исследования при установке на секции окучивающих корпусов.

Таблица 2 - Результаты статистической обработки экспериментальных данных по изучению тягового сопротивления окучивающих корпусов установленных на модернизированной и традиционной секциях пропашного культиватора_

Рабочий орган Глубина обработки, см Передача трактора Тяговое усилие, Н

Среднее значение, X, Н Станд. отклонение, ст Н Вариация V,% Ошибка ср. арифм. Относит, ошибка Б-х%

Жестко закрепленный корпус окучника ОК-3 12 3 2042,4 365,03 17,87 2,41 1,178

4 2031,19 211,78 10,42 1,49 0,737

5 2177,4 287,58 13,21 1,718 0,789

6 2085,88 260,71 12,49 1,481 0,709

Корпус окучника ОК-3 с упругой подвеской замкнутого типа 12 3 1494 263,57 17,63 1,497 1,001

4 1517,6 285,6 18,82 1,596 1,052

5 1600,5 317,8 19,85 2,686 1,678

6 1557,8 298,9 19,18 2,062 1,324

Спектральным анализом тягового сопротивления для перечисленных выше типов рабочих органов и различных вариантах их крепления было установлено, что упругие подвески обеспечивают более высокие значения частот колебаний, чем в случае жесткого крепления рабочих органов. Причем во многих случаях

сдвинута не только верхняя граница частотного диапазона, но и нижняя (рисунок 11).

а) б)

Рисунок 11 — Графики спектральной плотности тягового сопротивления культиваторной секции при глубине обработки почвы 12см: а — при жестком креплении подкормочных ножей; б - при установке подкормочных ножей в е-образные упругие подвески

Показатели качества междурядной обработки определялись согласно методикам СТО АИСТ 10 4.6-2003, СТО АИСТ 4.3-2004, ГОСТ 24057-88, ГОСТ 28714-2007 и находились в пределах агротехнических требований. Качество обработки между вариантом с жестким креплением рабочих органов и с упругими подвесками существенно не различалось.

На основе проведенных исследований нами был построен экспериментальный образец пропашного культиватора КРН-2,8М «Горец» (рисунок 12), который испытывался в течение 2010-2013 годов при возделывании пропашных культур: в предгорной зоне PCO-Алания - на полях Горского ГАУ и госхоза «Саниба» (рисунок 13), в горной зоне - на опытном поле Горского ГАУ в ущелье Фиагдон.

КРН-2.8М «Горец» в работе Рисунок 13 - Обход камня при выпол-

нении операции нарезки гребней

Рабочие органы надежно обходят скрытые в почве камни размером до 35см. Наработка на отказ составила 175 ч (по ОСТ АИСТ 1.12-2006 - не менее 100 ч.), коэффициент надежности технологического процесса - 1,0.

В пятой главе диссертации рассчитан размер годового экономического эффекта от применения культиватора КРН-2,8М «Горец» согласно ГОСТ Р 530562008. По результатам расчета при годовой загрузке от 570 до 784 га, экономический эффект составляет от 78 219 до 93 461 рубля (в ценах 2014 года). Срок окупаемости капитальных вложений в расчете на одну машину - 2,02 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализом конструкций современных пропашных культиваторов было установлено, что применяемые упругие стойки и подвески их рабочих органов не обеспечивают рационального сочетания жесткости, прочностных и размерно-массовых параметров и не подходят для работы на почвах засоренных камнями. На основании результатов анализа предложены рациональные конструктивно-технологические схемы модернизации секции пропашного культиватора (патент

РФ № 2340136), основанные на рациональном сочетании параметров предохранительной системы и упругих подвесок.

2. Разработаны аналитические зависимости для расчета основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы. На основе полученного математического обеспечения создана компьютерная программа по комплексному расчету упругих стоек и подвесок пропашных культиваторов (свидетельство № 2010614851 о регистрации в реестре программ для ЭВМ). Теоретическими исследованиями определены рациональные значения основных параметров стоек и подвесок пропашного культиватора, а также предохранителей рабочих органов секции пропашного культиватора, при которых обеспечивается надежный обход препятствия.

3. Экспериментально исследованы значения коэффициента жесткости и частота собственных колебаний опытных образцов упругих подвесок в различных вариантах комплектации, подтвердивших приемлемость полученных аналитических зависимостей. Установлено, что значение коэффициента жесткости и частоты собственных колебаний при креплении:

- бокового рабочего органа: к составной е- образной подвеске (стойка №5, таблица 1) составляет Сгор= 14,4 Н/мм, ve [11,1... 11,4]Гц; к дугообразной подвеске замкнутого типа с ограничителем (стойка№8) - Сгор=18,34 Н/мм, ve[8,5...8,7] Гц;

- центрального рабочего органа к дугообразной подвеске замкнутого типа (стойка№10, таблица 1) составляет Сгор=25,6 Н/мм, ve[10,2...16,2] Гц.

4. Исследован процесс обхода искусственного препятствия модернизированной секцией пропашного культиватора. Установлено, что упругое крепление рабочих органов способствует снижению усилия по обходу препятствия на 26,4%.

5. Исследованиями некоторых физико-технологических характеристик засоренных камнями полей предгорной зоны PCO - Алания перед проведением на них операций по междурядной обработке установлено, что:

- средние значения размерно-массовых характеристик камней составляют: длина - 0,124 м, ширина - 0,0906 м, высота - 0,0604 м, масса 1,41 кг;

- на расстоянии до 2м могут встретиться перепады по высоте 0,060 м, а кривая нормированной спектральной плотности микрорельефа поля апроксимируется выражением p(l)=ra^^cos(ßl), где а=18,971 м"1, ß=62,8 рад/м. Наибольший вклад вносят частоты с периодом Т=3,48 м.

6. Полевые испытания модернизированной секции пропашного культиватора показали, что она обладает высокой надежностью и обеспечивает качественное выполнение технологических процессов обработки почвы и обхода камней. Установлено, что по сравнению с традиционным креплением рабочих органов, разработанные упругие подвески для пропашного культиватора обеспечивают снижение тягового сопротивления в среднем от 4,1 до 30%.

7. По сравнению с базовой моделью, расчетное значение годового экономического эффекта от внедрения культиватора КРН-2,8М «Горец» составляет от 78 219 до 93 461 рубля в зависимости от вариантов изготовления (в ценах 2014 года), срок окупаемости затрат не превышает 2,02 года.

Рекомендации производству. Научно-исследовательским, проектным и сельскохозяйственным машиностроительным организациям рекомендуется при модернизации серийно выпускаемых пропашных культиваторов с параллело-граммной подвеской рабочих органов, использовать конструктивные решения с учетом предложенных конструктивно-технологических схем.

Проектирование и обоснование параметров упругих стоек, подвесок и предохранительных систем рабочих органов пропашных культиваторов целесообразно проводить при помощи компьютерной программы (свидетельство № 2010614851).

Перспективы дальнейшей разработки темы: снижение металлоемкости секций культиватора; совершенствование предохранительных систем путем применения в конструкциях современных синтетических и композиционных материалов, а также средств автоматики; создание на основе пропашных культиваторов комбинированных почвообрабатывающих агрегатов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кудзаев, А.Б. Расчет параметров упругой стойки пропашного

культиватора. [Текст]/А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник, А.Э. Цгоев //Механизация и электрификация с.-х. - 2008. - №9. - С. 25.

2. Кудзаев, А.Б. Машина для исследования тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов. [Текст]/ А.Б. Кудзаев, Т.А. Уртаев, А.Э. Цгоев, И.А. Коробейник, Д.В. Цгоев//Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2010. Т.47, ч.1.-С. 172-178.

3. Кудзаев, А.Б. Упругие стойки и предохранители подкормочных ножей пропашного культиватора. [Текст]/ А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник, А.Э. Цгоев, Т.А. Уртаев, Д.В. Цгоев// Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2010, Т. 47, ч. 1.-С. 181-188.

4. Коробейник, И.А. Результаты полевых испытаний усовершенствованной секции пропашного культиватора с параллелограммной подвеской рабочих органов. [Текст]/И.А. Коробейник, Т.А. Уртаев// Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2010, Т. 47, ч. 2. - С.125-130.

5. Кудзаев, А.Б. Модернизированный культиватор-растениепитатель. [Текст]/ А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник, Т.А. Уртаев, Д.В. Цгоев, А.Э. Цгоев// Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2011, Т. 48, ч. 1. - С.201-203.

6. Кудзаев, А.Б. Обоснование параметров упругих стоек и подвесок для пропашного культиватора, предназначенного для эксплуатации на почвах, засоренных камнями. [Текст]/ А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник, Т.А. Уртаев, Д.В. Цгоев, А.Э. Цгоев// Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2012, Т. 49, ч. 3. - С. 311323.

7. Коробейник, И.А. Результаты полевых испытаний упругих подвесок дополнительных рабочих органов пропашных культиваторов, предназначенных для обработки почв засоренных камнями. [Текст]/И.А. Коробейник, А.Б. Кудзаев // Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2013, Т. 50, ч. 3. - С. 192-197.

8. Кудзаев, А.Б. Совершенствование культиватора-растениепитателя для работы на каменистых почвах. [Текст]/А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник// Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2014. - №1. - С. 26-29.

Патенты и свидетельства

9. Паг. 2340136 Российская Федерация, МПК А01В35/24. Секция пропашного культиватора [Текст]/ Кудзаев А.Б., Цгоев А.Э., Коробейник И.А., Уртаев Т.А., Цгоев Д.В., Савхалов А.Б.; заявитель и патентообладатель Горский государственный аграрный университет (ГГАУ) (RU). - № 2007119216; заявл. 23.05.2007; опубл. 10.12.2008. Бюл. № 34. - 6 е.: ил.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010614851. Программный комплекс для расчета упругих стоек пропашных культиваторов.[Программа для ЭВМ ]/ Кудзаев А.Б., Коробейник И.А., Цгоев А.Э., Уртаев Т.А., Цгоев Д.В.; заявитель и правообладатель ФГОУ ВПО «Горский

государственный аграрный университет» (1Ш). - № 2010612557; заявл. 5.05.2010; зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 26.07.2010.

Публикации в других изданиях

11. Цгоев, А.Э. Характеристики почв РСО-Алания применительно к вопросу совершенствования конструкций почвообрабатывающих машин. [Текст]/ А.Э. Цгоев, И.А. Коробейник, Т.А. Уртаев //Известия Горского ГАУ. - Владикавказ, 2007, том 44, ч. 1. - С.128-131.

12. Коробейник, И.А. Модернизация культиваторов-окучников с параллелограммной подвеской рабочих органов. [Текст] / И.А. Коробейник, Т.А. Уртаев, А.Б. Савхалов//Материалы VI Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий. -Владикавказ, 2007. - С.408-409.

13. Кудзаев, А.Б. К вопросу разработки упругих стоек для пропашных культиваторов с параллелограммной подвеской рабочих органов. [Текст] / А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник, Т.А. Уртаев, А.Б. Савхалов, Д.В. Цгоев, А.Э. Цгоев //Международная научно-практическая конференция посвященная 90-летию Горского ГАУ. - Владикавказ, 2008.- С. 394-396.

14. Бестаев, Г.З. Модернизация секции пропашного культиватора с параллелограммной подвеской рабочих органов для обработки почв засоренных камнями. [Текст]/ Г.З. Бестаев, И.А. Коробейник //Материалы научной студенческой конференции Горского ГАУ «Студенческая наука агропромышленному комплексу 2009». - Владикавказ, 2009. - С. 128-129.

15. Бестаев, JI.3. К обоснованию основных параметров предохранителя пропашного культиватора. [Текст]/ JI.3. Бестаев, И.А. Коробейник //Материалы научной студенческой конференции Горского ГАУ «Студенческая наука - агропромышленному комплексу 2009». - Владикавказ, 2009. - С. 129-132.

16. Кудзаев, А.Б. Совершенствование пропашного культиватора для обработки почв засоренных камнями. [Текст]/А.Б. Кудзаев, И.А. Коробейник //Сборник работ молодых ученых «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки». - Владикавказ, 2013, Ч. 1. - С. 27-31.

17. Коробейник, И.А. Пропашной культиватор для обработки засоренных камнями почв. [Текст]/И.А. Коробейник //Научно-техническое и инновационное развитие АПК России. Труды Всероссийского совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений. - М., 2013. - С. 35-38.

Подписано в печать 17.07.2014 г. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

_Бумага 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100. Заказ3._

362040, Владикавказ, ул. Кирова 37. Типография ФГБОУ ВПО «Горский госагроунпверситет»

ФГБОУ ВПО «Горский Государственный Аграрный Университет»

КОРОБЕЙНИК ИВАН АНАТОЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОПАШНОГО КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВ

ЗАСОРЕННЫХ КАМНЯМИ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

На правах рукописи

04201460508

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Кудзаев Анатолий Бештауович

доктор технических наук, профессор

Владикавказ - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА КУЛЬТИВАЦИИ ПРОПАШНЫХ КУЛЬТУР ВОЗДЕЛЫВАЕМЫХ В ГОРНОЙ И ПРЕДГОРНОЙ ЗОНАХ РСО-АЛАНИЯ И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ..................................................................................... 9

1.1 Культиваторы без предохранительных устройств.......................... 10

1.2 Культиваторы с предохранительными устройствами......................... 19

1.3 Упругие стойки пропашных культиваторов................................. 33

Выводы по главе.......................................................................................... 41

2 ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ СЕКЦИИ ПРОПАШНОГО КУЛЬТИВАТОРА ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ РАБОТЫ НА ПОЧВАХ ЗАСОРЕННЫХ КАМНЯМИ........................................................ 42

Выводы по главе...................................................................... 47

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОВЕРШЕНСТВУЕМОГО КУЛЬТИВАТОРА ... 48

3.1 Методология обоснования основных параметров совершенствуемого культиватора............................................................................................................................................48

3.2 Горизонтальные перемещения и коэффициенты жесткости основных составных элементов стоек и подвесок........................................... 52

3.3 Жесткость е-образной упругой подвески сложной формы............. 66

3.4 Горизонтальные перемещения и жесткость составной упругой подвески ....................................................................................... 70

3.5 Частота собственных колебаний упругой стойки......................... 73

3.6 Обоснование основных параметров предохранителей пропашного культиватора.......................................................................... 75

3.6.1 Предохранитель центрального рабочего органа........................75

3.6.2 Предохранитель боковых рабочих органов....................................80

Выводы по главе..............................................................................................................................................................84

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО КУЛЬТИВАТОРА........................................................................................................85

4.1 Микрорельеф некоторых засоренных камнями полей предгорной зоны РСО-Алания и размерно-массовые характеристики камней............. 85

4.1.1 Микрорельеф полей..............................................................................................................85

4.1.2 Размерно-массовые характеристики камней....................................................89

4.2 Разработка алгоритма компьютерной программы по моделированию упругих стоек и подвесок пропашных культиваторов 90

4.3 Результаты моделирования упругих стоек и подвесок пропашного культиватора......................................................................................................................................................91

4.3.1 Упругие подвески замкнутого типа для центрального рабочего органа................................................................................................................................................92

4.3.2 Упругие подвески для боковых рабочих органов..........................................93

4.4 Жесткость разработанных упругих стоек и подвесок............................................94

4.5 Частота собственных колебаний разработанных упругих стоек и подвесок ................................................................................... 109

4.6 Исследование пружинных предохранителей............................ 113

4.7 Результаты процесса взаимодействия опытных образцов упругих стоек и подвесок с препятствиями..................................................... 117

4.8 Полевые исследования предложенных технических решений........... 119

4.8.1 Определение показателей качества обработки почвы............119

4.8.2 Тяговое сопротивление рабочих органов пропашного культиватора закрепленных на модернизированной секции....................................121

4.8.3 Спектральный анализ тягового сопротивления...................... 124

4.9 Реализация результатов исследования...................................... 128

Выводы по главе..................................................................... 130

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТ ВНЕДРЕНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ОБРАЗЦА ПРОПАШНОГО КУЛЬТИВАТОРА.. 132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 133

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

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................... 150

Приложение А - Патенты и свидетельства....................................... 151

Приложение Б - Алгоритм компьютерной программы по расчету параметров упругих стоек и подвесок рабочих органов культиватора......... 155

Приложение В - Размерные характеристики ограничителя дугообразной

подвески......................................................................................................... 159

Приложение Г - Результаты статистического анализа экспериментов по исследованию зависимости отклонения и выглубления носка рабочего органа закрепленного на различных подвесках от прилагаемого усилия.. 160 Приложение Д - Результаты исследования предохранительных систем

центрального и боковых рабочих органов культиваторной секции......... 178

Приложение Е - Результаты исследования размерно-массовых характеристик камней и продольного микрорельефа некоторых полей предгорной зоны PCO-Алания......................................................................................................................181

Приложение Ж - Методика определения и показатели качества выполнения технологического процесса при междурядной обработке пропашных культур .............................................................................. 187

Приложение И - Результаты исследования тягового сопротивления рабочих органов пропашного культиватора, закрепленных на модернизированной секции.....................................................;................... 202

Приложение К - Графики спектральной плотности тягового сопротивления и нормированной корреляционной функции культиваторной секции

при различных способах крепления рабочих органов.......................... 208

Приложение Л - Результаты расчета экономических показателей от внедрения усовершенствованного образца пропашного культиватора КРН-

2,8М «Горец»............................................................................ 218

Приложение M - Акты внедрения результатов исследований................ 220

Приложение H - Дипломы и сертификаты....................................... 223

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Общеизвестно, что при возделывании сельскохозяйственных культур, засоренность полей камнями осложняет проведение технологических операций по обработке почвы. Издержки предприятий, использующих технику на каменистых почвах, возрастают на 10-15 %, при одновременном сокращении срока службы машин на 15-28 % по сравнению с обычными условиями эксплуатации. К числу таких операций относится культивация междурядий пропашных культур, занимающих в Северо-Кавказском Федеральном Округе площадь свыше 370 тыс. га, из которых 77 тыс. га расположены в Республике Северная Осетия-Алания. Только в PCO-Алания от 30 до 50 % земель, на которых возделываются пропашные культуры, засорены камнями.

Для выполнения культивации промышленностью выпускаются специальные машины - культиваторы, которые можно разделить на две большие группы: культиваторы с жестким креплением к раме рабочих органов и культиваторы с шарнирным креплением, реализованным путем параллелограммной подвески рабочих органов. Последние имеют более сложную конструкцию, но положительно себя зарекомендовали, прежде всего, благодаря хорошему копированию микрорельефа поля секциями машины. Однако при их эксплуатации на почвах, засоренных камнями, часто возникают поломки (выгибаются грядили, стойки рабочих органов и т.д.). В последние годы в зарубежном сельхозмашиностроении наметилась тенденция оснащения пропашных культиваторов упругими подвесками рабочих органов или упругими стойками, что позволяет улучшить качество обработки почвы и снизить тяговое сопротивление рабочих органов. Однако применяемые ими стойки и подвески имеют небольшую жесткость и не подходят для работы на почвах, засоренных камнями предгорной и горной зон PCO-Алания.

Перспективным решением этой проблемы является разработка и создание упругих стоек и подвесок рабочих органов, использование которых в сочетании с предохранительными системами позволит повысить надежность пропашных культиваторов и снизить энергозатраты на обработку почвы и обход камней.

Проектирование и создание упругой подвески рабочего органа, обладающей достаточной прочностью, надежностью и наименьшей металлоемкостью связано с громоздкими расчетами и невозможно без соответствующего программного обеспечения и компьютерной программы.

Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку вопросов создания упругих стоек, подвесок и предохранительных систем для культиваторов внесли отечественные ученые: Г.Н. Синеоков, И.М. Панов, Г.А. Рябцев, A.C. Кушнарев, В.П. Базаров, A.A. Вилде, A.A. Дубровский, С.А. Инаекян, В.Г. Мате-восян, А.Б. Кудзаев, В.А. Хадаев, А.Э. Цгоев, H Е. Руденко, С.Ю. Дмитриев, A.B. Стрикунов, А.Е. Муравьев, В.Ф. Клейн, В.Р. Алфеев, Н.Г. Кузнецов, Е.А. Назаров, И.В. Игнатенко, В.И. Игнатенко, P.JI. Сахапов, Н.К. Мазитов, C.B. Левицкий, М.А. Донченко, A.A. Колмыков. Из зарубежных ученых можно отметить работы I. Humman, A. Cassel, A. Muller, El-Awad Sheikh, El Din Abdel Gadir, Crossley С. P. и другие. Анализ работ вышеперечисленных авторов показал, что применительно к созданию эффективных упругих стоек, подвесок и предохранителей для пропашных культиваторов, отдельные положения нуждаются в дальнейшей разработке.

Результаты анализа конструкций культиваторов и применяемых упругих стоек и подвесок позволяют заключить, что они обладают рядом недостатков, к числу которых относятся: их большая масса, недостаточная жесткость при установке на них окучивающих корпусов, сложность конструкций предохранительных систем и устройств для повышения жесткости упругих элементов, позволяющие обходить препятствия, высотой больше чем глубина хода рабочего органа. Устранение этих недостатков позволит повысить надежность конструкций, качество обработки почвы, снизить тяговое сопротивление машины, сохранив высокую универсальность базовых моделей культиваторов.

Цель работы. Повышение эксплуатационных показателей пропашных культиваторов при работе на засоренных камнями почвах с одновременным снижением энергоемкости процессов обработки почвы и обхода камней.

Задачи исследований:

1) разработать рациональные технологические схемы модернизации секции пропашного культиватора, предназначенного для работы на почвах засоренных камнями;

2) разработать аналитические зависимости для расчета основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы и предложенных предохранительных устройств;

3) разработать компьютерную программу по расчету упругих стоек и подвесок различной формы с возможностью визуализации результатов расчета;

4) провести исследования микрорельефа полей предгорной зоны и размерно-массовых характеристик встречающихся камней;

5) провести лабораторные и полевые экспериментальные исследования предложенных конструкций с целью уточнения их параметров и определения показателей качества работы;

6) определить экономическую эффективность от внедрения предложенных технических решений.

Научную новизну представляют:

- полученные аналитические зависимости и результаты комплексного расчета основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы, а также рациональные параметры предложенного предохранителя;

- компьютерная программа для определения основных параметров упругих стоек и подвесок различной формы, в математической модели которой были учтены такие факторы, как углы поворота отдельных элементов упругих подвесок, что привело к более точному описанию процесса взаимодействия рабочего органа пропашного культиватора со скрытым в почве препятствием;

- рекомендуемые значения коэффициента жесткости предлагаемых упругих подвесок рабочих органов пропашных культиваторов применительно к условиям эксплуатации на почвах предгорной и горной зон PCO-Алания.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработано математическое обеспечение необходимое для создания комплексной программы по

5< i

расчету упругих стоек 8-образной формы, упругих подвесок е-образной формы и упругих подвесок замкнутого типа, предназначенных для установки центральных и боковых рабочих органов на секциях с параллелограммной подвеской пропашных культиваторах. Разработаны аналитические зависимости необходимые для расчета рациональных значений предохранителя пропашного культиватора и определены их численные значения. Предложенные конструкции имеют широкий диапазон регулировок и меньшее тяговое сопротивление по сравнению с серийными образцами. Результаты работы рекомендуются для использования научно-исследовательскими, проектными и сельскохозяйственными машиностроительными организациями при проектировании и обосновании параметров упругих стоек и подвесок рабочих органов пропашных культиваторов.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных законов земледельческой механики, теоретической механики, сопротивления материалов. Экспериментальные исследования выполнялись в соответствии с действующими методическими требованиями и отраслевыми стандартами, кроме того, использовался метод тензометрирования и динамометрирования. Обработка полученных результатов осуществлялась методами математической статистики, корреляционно-регрессионного и спектрального анализа с применением компьютерных программ.

Положения, выносимые на защиту: основные положения научной новизны и практической значимости.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается достаточным объемом экспериментального материала, применением стандартных методик математико-статистической обработки данных, удовлетворительной сходимостью экспериментальных и теоретических данных. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Горского ГАУ 2007...2014 г.г., на конференциях молодых ученых и аспирантов Горского ГАУ 2007...2014 г.г., на У1-ой Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» (Владикавказ, 2007 г.),

на Международных конференциях «Научное обеспечение устойчивого развития агропромышленного комплекса горных и предгорных территорий», посвященных 90-летию Горского ГАУ (Владикавказ, 2008 г.) и 95-летию Горского ГАУ (Владикавказ, 2013 г.), на НТС МСХ PCO-Алания (2010 г.), на IV Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2013 г.). Работа является победительницей конкурса У.М.Н.И.К. (г. Москва, 2011 г.) и удостоена диплома выставки НТТМ 2011 г. (приложение К).

Результаты исследований одобрены и приняты к внедрению в хозяйствах Республики Северная Осетия-Алания, а также госхозе «Саниба» Пригородного района РСО-Алания. Разработка удостоена премии Главы Республики Северная Осетия-Алания в области науки и техники для молодых ученых (Владикавказ, 2012 г). Материалы исследований используются в учебном процессе Горского государственного аграрного университета (приложение М).

По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 8 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, один патент на изобретение № 2340136 МПК А01В 35/24 и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2010614851 (приложение А). Общий объем опубликованных работ составляет 8,57 п. л., из них 4,49 п. л. принадлежит автору.

1 Состояние вопроса культивации пропашных культур возделываемых в горной и предгорной зонах и анализ конструкций применяемых технических средств

Культивация является необходимой операцией при возделывании пропашных культур, благодаря которой уничтожаются сорняки, производится подкормка растений и улучшается водно-воздушный баланс почвы.

В предгорных и горных районах Северо-Кавказского региона традиционно применяют культиваторы, схема которых во многом схожа: брус рамы, секции с параллелограммной подвеской и т.д. Причем, согласно существующим нормам наличие камней не допускается.

Однако, реальность такова, что ими засорено большое количество площадей. Существующее мнение некоторых производителей сельскохозяйственной техники, что поля вначале очистить от камней и потом заниматься возделыванием культурных растений для большинства сельхозтоваропроизводителей неприемлемо. Кроме того, очистить от камней поля полностью не удается, поэтому необходимо находить компромисс: очищать поля и одновременно совершенствовать конструкцию машин.

Поэтому, необходимо вначале проанализировать работы по и�