автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга на основе моделирования технологического процесса вспашки

На правах рукописи

ФАРХУТДИНОВ Ильдар Мавлиярович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛЕМЕШНО-ОТВАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА ПЛУГА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВСПАШКИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2012

1 7 МАЙ 2012

005043478

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Мударисов Салават Гумерович

Официальные оппоненты: Рахимов Ране Саитгалеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия», кафедра почвообрабатывающих и посевных машин, профессор

Хабибуллин Илыпат Фанилевпч,

кандидат технических наук, Министерство сельского хозяйства Республики Башкортостан, отдел механизации и электрификации в отраслях АПК, заместитель начальника

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет»

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, ауд. 257/3.

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

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Определяющее значение в системе механической обработки почв принадлежит основной обработке. Именно основная обработка в наибольшей степени определяет характер протекания физико-биологических процессов в почве.

От качества выполнения технологического процесса основной обработки почвы во многом зависят физико-биологические и химические процессы, протекающие в пахотном и подпахотном горизонтах, количество последующих проходов орудий по полю, качество размещения семян в почве и т.д., что в ко-нечЕгом итоге сказывается на урожайности возделываемых культур. Однако при вспашке почвы плугами общего назначения даже в период ее физической спелости в среднем только 20% поля соответствует агротехническим требованиям по степени крошения. За счет того, что в процессе вспашки преобладающим видом деформации пласта является сжатие, после прохода орудия на поле образуются комки, плотность которых в некоторой степени даже превышает объемный вес почвы до обработки.

Решение данных проблем требует детального изучения процесса воздействия рабочих органов на почву, раскрытия внутренних процессов деформации, перемещения почвенных элементов и исследования влияния конструктивных параметров на качество обработки. При этом необходимо иметь в виду, что вспашка является самой энергоежой операцией в растениеводстве, на ее осуществление приходится около 40 % энергозатрат по подготовке почвы.

В связи с этим работа, направленная на повышение качества и снижение энергоёмкости вспашки, является актуальной и имеет существенное значение для развития страны.

Цель работы. Повышение качества и снижение энергоёмкости вспашки путем совершенствования лемешно-отвалыгой поверхности корпуса плуга и обоснования его параметров на основе моделирования технологического процесса.

Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия корпуса плуга с почвой.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия корпуса плуга с почвой, изменения агротехнических и энергетических показателей работы в зависимости от его конструктивных и технологических параметров.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и методов механики сплошных сред и классической механики. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик проведения экспериментов с применением метода планирования. Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия корпуса плуга с потаенной средой на основе сочетания уравнения динамики сплошной среды и критерия прочности Кулона-Мора с учетом физико-механических свойств почвы.

2. Установлены начальные и граничные условия функционирования модели технологического процесса взаимодействия корпуса плуга с почвой с учетом процесса уплотнения дна и стенки борозды.

3. Разработана методика проектирования трехмерной модели яемешно-отвальной поверхности корпуса плуга с применением в качестве направляющей кривой клотоиду и возможностью устранения задира пласта почвы бороздным обрезом.

Новизна технических решений и методики проектирования лемешно-отвальных поверхностей корпусов плугов подтверждена патентом на полезную модель №111380 РФ, свидетельствам на программу на ЭВМ № 2011611952 РФ, №2011614160 РФ.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Обоснованы конструктивно-технологические параметры и создан экспериментальный образец корпуса плуга, обеспечивающий качественное выполнение технологического процесса с более низкими энергетическими показателями.

Опытные образцы усовершенствованного корпуса плуга использовались для основной обработки почвы на полях ООО «РегионАгро» Давлекановского района и профессионального училища №82 с. Толбазы Аургазинского района Республики Башкортостан. Теоретические исследования используются при изучении курса «Сельскохозяйственные машины» в ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» и в профессиональном училище №82 с. Толбазы Аургазинского района.

Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской программой на 2010 - 2013 гг. «Повышение качества выполнения технологических операций на основе совершенствования рабочих органов сельскохозяйственных машин» (Per. № 01.2010.58947) на кафедре сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Вклад автора в проведённое исследование. Установлены начальные и граничные условия модели процесса взаимодействия корпуса плуга с почвенной средой с учётом физико-механических и реологических свойств почвы; разработана номограмма выбора вязкости сплошной среды по влажности почвы для моделирования технологического процесса вспашки; проведены эксперименты по определению энергетических и качественных показателей работы плуга, обоснованы конструктивно-технологические параметры и создан экспериментальный образец корпуса плуга.

Апробация. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Достижения науки -агропромышленному комплексу» в 2008...2011 гг. (Челябинский ГАА, г. Челябинск), на всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном комплексе» в 2008.;.2011 гг. (Башкирский ГАУ, г. Уфа), «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновская ГСХА, г. Ульяновск) в 2008...2010 гг.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 24 научных статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 1 патент на полезную модель РФ, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ. Общин объем опубликованных работ составляет 7,05 пл., из них авторских-3,15 п. л.

Структура и объем работы. Основной материал диссертационной работы представлен на 133 страницах машинописного текста и содержит введение, пять глав, выводы и приложения. Диссертация содержит 27 таблиц, 57 рисунков и иллюстраций, приложений на 30 с. Список использованной литературы включает 139 источников, три из которых на иностранном языке.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование процесса взаимодействия рабочего органа плуга с почвенной средой;

- экспериментальная оценка влияния параметров среды и конструктивных параметров корпуса плуга на его силовые и агротехнические показатели;

- теоретическое и экспериментальное обоснование конструктивно-технологических параметров корпуса плуга;

- технико-экономическая оценка эффективности применения разработанного экспериментального корпуса плуга.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ технологических операций основной отвальной обработки почвы, основных факторов и параметров, определяющих энергетические и качественные показатели работы лемешных плугов. Проведён подробный анализ методов проектирования лемешно-отвальных поверхностей (ЛОП) корпусов плугов и перспективные направления в области проектирования, анализ моделей технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвенной средой.

Проектированием и исследованиями ЛОП занимались В.П. Горячкин, Н.В. ЩучкиН, Л.В. Гячев, В.А. Лаврухин, А.Д. Хорошилов, В.К. Шаршак, Ю.Г. Кардашевский, Я.П. Лобачевский, Г.В. Иванов, Ю.Ф. Новикова и др.

Методы моделирования для обоснования конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин предложены A.C. Кушнаревым С.Н. Каповым, С.Г. Мударисовым и др.

Проведенный анализ научных исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров корпусов плугов показал, что необходима разработка обобщенной математической модели процесса взаимодействия корпуса плуга с почвенной средой с учетом ее физико-механических и реологических свойств, а также с учётом процесса деформации, а именно сил реакции неразрушенного пласта почвы со стороны дна и борозды.

На основании проведенного анализа состояния вопроса и для достижения поставленной цели в данной работе необходимо решить следующие задачи исследований:

1. Разработать математическую модель технологического процесса взаимодействия корпуса плуга с почвой с учетом процесса уплотнения дна и стенки борозды.

2. Усовершенствовать методику построения лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга.

3. Обосновать конструктивно-технологические параметры ЛОП корпуса плуга и оценить их влияние на тяговое сопротивление и агротехнические показатели работы при различных почвенных условиях.

4. Разработать экспериментальный образец корпуса плуга, провести его лабораторно-полевые исследования и дать технико-экономическую оценку эффективности его применения.

Во второй главе «Модель процесса взаимодействия рабочего органа с почвой» рассмотрен физический процесс деформации и разрушения почвенной среды, показана последовательность построения и реализации математической модели процесса взаимодействия рабочего органа с почвой, как системы уравнений динамики сплошных сред, установлены зависимости для определения основных конструктивно-технологических параметров орудия.

Система уравнений динамики сплошной деформируемой многофазной почвенной среды в обобщенном виде записывается следующим образом

'до, до, до, ди, _ 1 ("йЛ „ _ , —- + —'-ох + —-оу + —-о. = ^--М- + (1 + и,

, 5г Зх е>' & р\&) , (¡=х.у,:) (1)

^ + Хр\') = М ш

где а- объемная концентрация твердых включений в почве, Рг объемные силы; Н/кг: уЧ лапласиан; р- плотность почвы; кг/м'; V- дина' дх2 су2 &2

мический коэффициент вязкости среды, м2/с.

Численная реализация модели сплошных деформируемых сред требует определения расчетной области с заданными начальными и граничными условиями.

Для постановки граничных условий функционирования модели рассмотрим процесс взаимодействия корпуса плуга с почвой (рисунок 1).

В процессе работы корпуса плуга вырезаемый пласт защемляется между рабочей поверхностью, дном борозды снизу, неразрушенным пластом почвы спереди и стенкой борозды сбоку. В результате этого на этих поверхностях возникают силы реакции (подпора): рабочей поверхности К,„ неразрушенного пласта почвы Д дна борозды Р, стенки борозды Рст. Кроме этого на потаенный пласт действуют силы тяжести почвенной глыбы С, когезионная С, динамическая, обусловленная силой инерции глыбы К, сцепления (адгезии) А.

р<*

Чу-NS;

С . \

\

г?г

р «

■■л» А , .

• V

Рисунок 1 - Взаимодействие корпуса туга с пластом почвы (статический силовой анализ)

Согласно схеме (рисунок 1) сила подпора дна борозды

Р = D cos(y<- + <р) = 0 cos(45' - 0,5<р + у) = D cos(45° + 0,59?), а сила подпора со стороны стенки борозды

Pa„=Dcos (90-w-tp), где <р — угол внутреннего трения почвы, у/ — угол скола почвы

Определение этих усилий сводится к определению силы реакции неразрушенной почвы D. Из условия равновесия почвенного пласта j Rucosa + R„tgS cos a - Dsin(<p + if) + D cos(90° -f - <p) = С cosy/ + К cos у - A cos a sina + RntgSsina + Dcos(<p + if/)+Dsm(if/ -cp) = .4 sin or + Csinp-G

а сила реакции неразрушенной почвы

СК cos(45° + 0,5<р) + С sin- cos(45° - 0,5р) + G)(sin а + 0,5rg<? cos а)

(2) (3)

(4)

D =

(sin я + tgS cos a) 008(45° - 0,5y>) + (cos a ■ sin a + IgS • sin a)sin(45° + 0,5p)

_(K cos(45° - ) + (cos a + tgS sin a)_

(sin a + tgS cos a) cos(45° + 0,5p) + (cos a + tgS ■ sin a)sin(45° + 0,5^) Тогда сила подпора дна борозды

j, (К cos(45 ° + 0,5 <р) + С sin- cos(45 ° - 0,5<р) + G)(sin а + 0,5tgS cos а) (sina + fgJcosa)cos(450-0.5pH(cos«-sina + rg<5-$ina)sin(450 + 0,5cp) (К cos(45 ° - 0,5<р) + (cos а + (gJsin а)_

(5)

(sin a + fgí?cosa)cos(45° + 0,5(Z>) + (cosa + fg5-sma)sin(45° а сила подпора со стороны стенки борозды

-0,5 р)

cos(90 — у-<р), (б)

Р = -

(Кcos(45° + 0,5у) + Csin-cos(450 -0,5<р) + G)(sin« + 0,5/g<?cosа) (sin а + tgó cos а) cos(4515 - 0,5р) -i- (cos a ■ sin a + tgS ■ sin a) sin(45 ° + 0.5 q>)

(A"cos(45° - 0,5(p) + (cos a + tgS sin a)

-•cos(90-y-?>).

-...... (7)

(sin a + rg¿¡ cos a) cos(45 ° + 0,5<p) + (cos a + tgS ■ sin a) sin(45° + 0,5<з)

Выражение (6) в расчетной области математической модели определяет геометрическую поверхность дна борозды, а выражение (7) - стенки борозды. Кроме этого в качестве граничных условий необходимо установить нулевое давление за пределами зоны деформации, т.е на границах «вход» Рт 0 и «выход» Ре,„ ~ 0, нулевое давление на границе раздела почвы и воздуха ргр=0, условие непроницаемости (твердотельности) поверхности рабочего органа - равенства нулю нормальной составляющей скорости частиц почвы V„=0 (рисунок 2).

В качестве начальных условий необходимо определить скорости потока почвенной среды V„ на входе в расчетную область. Из условия подобия ско-

ростъ среды У0 должна быть равной скорости Ур рабочего органа У„=¥р, Численная реализация разработанной модели произведена в программе БктЛЯвюп (рисунок 3), где граничные условия 2 и 3 (рисунок 3) определяются по выражениям (6) и (7) и устанавливаются условием «Давление на стенке».

1 - тело (корпус плуга); 2 - стенка борозды; 3 - дно борозды; 4 - выход; 5 - граница Рисунок 2 - Расчётная область с уточнёнными почва-воздух: 6 - вход

граничными условиями Рисунок 3 - Расчётная область и гранич-

ные условия в ГУ

Численное решение системы уравнений (1) с учетом установленных начальных и граничных условий позволяет определять давление почвы на рабочую поверхность (рисунок 4а), скорости и траектории движения частиц почвы (рисунок 46). На основе этих данных можно обосновывать и оптимизировать конструктивно-технологические параметры корпусов плугов.

Рисунок 4 - Визуализация модели в Р1оу:У1тт: а) распределение давления по рабочей поверхности; б) траектория движения частиц почвы по рабочей поверхности

; а б

Для уменьшения тягового сопротивления при вспашке необходимо создавать равномерное распределение давления на рабочую поверхность корпуса со стороны пласта почвы. При этом снижается налипаемостъ почвы на рабочую поверхность и, как следствие, устраняется такое явление как «трение почвы по почве», которое значительно повышает тяговое сопротивление и снижает качество обработки.

Распределение давления по рабочей поверхности зависит от геометрических параметров ЛОП корпуса. По существующим методикам построения ЛОП ГЦучкина Н.В. и Гячева Л.В. рабочая поверхность корпуса плуга во многом определяется формой направляющей кривой и функциональной зависимостью угла наклона образующей к стенке борозды у. Направляющая кривая при такой методике образуется параболой и прямолинейным участком лемеха. График кривизны такой направляющей кривой при переходе от прямолинейного участка к параболе терпит разрыв (рисунок 5а), в связи с чем, нарушается

плавность рабочей поверхности, что в свою очередь приводит к неравномерному распределению давления.

Единственная кривая с плавным линейным графиком кривизны по длине кривой - клотоида (или спираль Корню) (рисунок 56). Такая кривая может быть образована при прогибе гибкой рейки между двумя опорными точками за счёт собственного веса. При этом рейка принимает форму с минимальной потенциальной энергией. На основании этого нами сформулирована гипотеза: почвенный пласт входит на поверхность, образованную с использованием клотоиды, с равномерным давлением по площади и имеет минимальную энергию упругой деформации.

График клотоиды определяется формулой

ли2 2

х = а • л/я-JqCos = а • -Уя^вт——-А, (8)

где а ■ -Лг - определитель; t - период (-оо < / < +оо, t= s/(a ■ -Jn),s- длина дуги кривой, м; и- параметр.

Для сохранения геометрических макропараметров корпуса плуга на клотоиде (8) выбран участок, который определяется пропорциями соприкасающегося треугольника направляющей кривой (параболы) прототипа.

Анализ ЛОП, построенной по существующей методике, позволил установить, что сечение 3 (рисунок 5), проходящее по концу лемеха имеет разрыв, что также приводит к неравномерному распределению давления по рабочей поверхности.

Для устранения этого недостатка и повышения качества рабочей поверхности во всех сечениях нами рекомендуется использовать график с монотонным изменением угла у (зависимость 3, рисунок 6).

A i

111.

' >

, f

■¿''S у

/

eSi" \ \

fx f •*c 2 \ 3

V

1) нулевое сечение, расположенное на носке лемеха корпуса плуга; 2) направляющая кривая; 3} концевое сечение, расположенное в конце лемеха; 4) графики кривизны сечений Рисунок 5 - формы сечений ЛОП построенные САПР по методу Щучкина В.Н. (а), по усовершенствованной методике (6)

На качество работы и тяговое сопротивление корпуса плуга влияет также •задирание пласта почвы бороздным обрезом ЛОП. Задир отсутствует при условии (рисунок 7).

50 100 ISO МО 250 ЗОН .¡Я) НЮ г ИМ

1- полувинтовая поверхность;

2- культурная поверхность;

3- экспериментальный корпус Рисунок 6 Зависимости угла у от высоты

расположения образующей

i<180"

(9)

При наличии задира необходимо выполнить отгиб крыла отвала или вырез участка бороздного обреза до устранения задира. Для проверки качества рабочей поверхности корпуса плуга и наличия задира нами разработаны компьютерные программы «рЬ^Ь.кр» и «Программа формирования предельной линии задира на отсеке ЛОП корпуса плуга». Данные программы позволяют произвести корректировку геометрии рабочей поверхности корпуса плуга и создавать ЗБ модели ЛОП (рисунок 7).

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» описаны методика оценки условий проведения экспериментальных исследований и этапы проведения лабораторных и полевых исследований, приведены методики энергетической и агротехнической оценок орудия.

За основу методики определения характеристик почвы нами взят СТО АИСТ 10.4.6 - 2003 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины почвообрабатывающие», СТО АИСТ 4.1 -2004 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для глубокой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей». Для проведения экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях спроектированы и изготовлены специальные установки (рисунки 8, 9), позволяющие изменять технологические параметры работах органов и замерять их тяговые сопротивления.

и 5 - ■

г-

1 — верхние шарниры: 2 — параллелограмм-ный механизм; 3 - рабочий орган; 4- нижние шарниры. Рисунок 8 Лабораторная экспериментальная установка Энергетическая оценка плуга проводилась путём динамометрирования отдельного корпуса (рисунок 9). Одновременно измеряли и синхронно записывали изменения тягового сопротивления корпуса плуга Л, глубины вспашки я; пройденного пути профиля поверхности поля П.

корректировки; 3 - контур бороздного обреза после корректировки; 4 — касательные к бороздному обрезу Рисунок 7 — Схема к определению задира

1 - рама установки; 2 -рабочий орган, 3 - опорное колесо Рисунок 9 - Полевая экспериментальная установка

Программа агротехнической оценки включала в себя изучение влияния конструктивно-технологических параметров корпуса плуга и скорости движения плута на качество обработки почвы - гребнистоеть поверхности поля, глубину обработки а; крошение почвы К\ степень заделки растительных остатков. Кроме того проводили хронометражные работы по существующим методикам.

Обработка информации производили с помощью программ, позволяющей производить статистический анализ экспериментальных данных.

В четвертой главе «Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров корпуса плуга» приводятся результаты расчетов, полученные при численном решении разработанной модели, результаты лабораторных и полевых исследований экспериментального корпуса плуга и их анализ.

Для постановки граничных условий в разработанной модели нами на приборах одноосного сжатия и среза экспериментальным путем определены реологические свойства разных типов почв (таблица 1).

Таблица 1 Реологические свойства почв

Тип почвы Угол внутреннего трения ср, град Угол скола почвы 0, град о ь Па те, Па о 2, Па о з, Па

Торфяно-луговой 36,0 63,0 0,80*106 0,55*10® 0,52*106 1,82* 106

Чернозём выщелоченный тяжелосуглинистый 26,0 58,0 0,80*106 0,44* 10* 0,40*106 1,36*10®

Среднесуглинистый тёмно-серый 21,0 55,5 0,80* 106 0,36*106 0,36* ю6 1,29*106

Графическая интерпретация результатов испытаний на чистый поступательный сдвиг образцов почвы представлена на рисунке 10. Из зависимости касательного Tf от нормального напряжения сг„ на плоскости сдвига (рисунок 10) можно определить реологические свойства почвы - силу сцепления с и угол внутреннего трения (р. По значениям <т,„ тв и угла в (таблица 1) по кругу Мора можно определять графически давления на дне <г. и стенке борозды cj , которые могут являться описанием граничных условий 2, 3 (рисунок 3) области расчета. Данный метод позволяет скорректировать граничные условия разработанной модели в зависимости от реологических свойств и типа почвы.

Из таблицы видно, что давление со стороны дна борозды а2 =0,36...О,52*Ю6 Па, со стороны стенки борозды Gj =1,29... 1,82* 10б Па в зависимости от типа почвы.

Проверка адекватности разработанной модели с уточненными граничными условиями проводили на основе сравнения результатов тягового сопротивления корпуса на почвенном канале и результатов полученных при моделировании технологического процесса в программном комплексе FlowVision (рисунок 11).

Полученные зависимости лежат в доверительной зоне с уровнем значимости 95% по критерию Фишера, что свидетельствует об адекватности разработанной модели.

Т.ЧШа

.......

;

м \

•и

к. н

900

700

2 600

.....;........... 300

>-«г«,92»: .ям» «■а<55,Э4 л

у = лх-.-из«» и? Я- = С.М51 1

V- 1

» 0,® 11.1 ад? iiV.Mli»

Тины почв: 1 — торфяно-луговой, 2 - чернозём выщелоченный тяжелосуглинистый. 3 -

среднесуглинистый тёмно-серый Рисунок 10- Зависимость касательного Ту от нормального напряжения <т;

1- экспериментальны данные; 2 - теоретические данные Рисунок 11- Зависимость тягового сопротивления корпуса плуга от скорости (■вязкость среды -110 Па*с; влажность почвы -18%)

"X

т 600

! / \ \

У-- ....— .А

....... г

Для определения влияния на технологический процесс такого важного свойства почвы, как влажность, нами были проведены эксперименты на почвенном канале и на разработанной модели для рабочих органов с идентичными конструктивно-технологическими параметрами при различной влажности почвы и вязкости среды. Сопоставление полученных результатов тягового сопротивления, позволили построить номограмму для выбора вязкости среды в зависимости от влажности реальной почвы (рисунок 12).

Полученные соотношения между реологическими свойствами реальных почв и свойствами моделируемой почвенной среды, а также адекватность разработанной модели технологического процесса вспашки позволяет использовать ее для теоретического обоснования конструкгивно-технологи-ческих параметров корпусов плугов.

На рисунках 13 и 14 показаны зависимости коэффициента неравномерности давления К„д по рабочей поверхности и тягового сопротивления корпусов плугов, построенных по различным видам направляющих кривых - дуге окружности, параболе, гиперболе, циклоиде и клотоиде.

Как видно из этих зависимостей, корпус плуга, спроектированный По клотоиде, имеет меньший коэффициент неравномерности К„д, соответственно, более равномерное распределение давления со стороны почвы на рабочую поверхность, и меньшее тяговое сопротивление, что доказывает правильность нашей рабочей гипотезы. При этом К„д на 25...55 %, а тяговое сопротивление на 10... 18 % ниже по сравнению с корпусом, спроектированной по существующей методике.

6 Ж 100 80 200 Рисунок. 12 - Номограмма выбора вязкости среды для модели

! 1 1 3 4J

jp ^ -ч-ЧТ 5

, і __ оліг.---

....... ___— -

«S--

5 И 7 К 9 10 V. км ч Рисунок 13 - Зависимость коэффициента неравномерности давления К»д от скорости движения при использовании в качестве направляющей окружность - 1; параболу - 2; гиперболу - 3; циклоиду - 4; клотоиду - 5

S 6 7 S !> 10 V. ВГ1 Рисунок 14 —Зависимость тягового сопротивления корпуса плуга при использовании в качестве направляющей окружность - 1: параболу - 2; гиперболу - 3; циклоиду - 4; клотоиду - S

Обоснование остальных параметров корпуса экспериментального плуга проводилось в полевых условиях.

На рисунках 15 и 16 представлены зависимости тягового сопротивления корпуса плуга от сочетания следующих параметров: угла постановки лемеха ко дну борозды е и угла оборота Д от угла отгиба крыла отвала в продольно - горизонтальной в поперечно - вертикальной плоскостях <5.

Согласно этим зависимостям оптимальными параметрами являются углы постановки лемеха ко дну борозды £=22. ..24° и оборота у0=135...138°. Увеличение угла оборота пласта более чем 138° ведёт к ухудшению оборота пласта. Кроме того, затрудняется сдвиг почвы в сторону, что ведёт к накапливанию почвы перед корпусом. Оптимальными углами отгиба крыла отвала являются угол <^=2...4° и ¿=3,5.. .5°. Повышение тягового сопротивления при меньших значениях углов связано с наличием задира почвы.

Рисунок 15— Поверхность отклика тягового Рисунокіб— Поверхность отклика тягового сопротивления от угла постановки лемеха сопротивления от угла отгиба крыла отвала в ко дну борозды є и угла оборота /І продольно — горизонтальной плоскости с; и є поперечно — вертикальной плоскости 3

Для увеличения долговечности лемехов рекомендуется устанавливать долота. Наличие долота влияет, в первую очередь, на тяговое сопротивление плуга, а также на крошение почвы. На рисунке 17 показаны зависимости тягового сопротивления и степени крошения почвы для корпусов плугов с долотом и без, из которого видно, что с установкой долота тяговое сопротивление возрастает на 3.. .5%, однако при этом качество крошение улучшается на 10.. .12%.

4500. 4000

..............

1 2

1 I J

......... ....... j

1_£ !

К,%

90 85 80

и,

:м 3'

1.S0

1*5 1,-0 V < >

—

1,65 1,60 / / л Е V

1,55 - - V

1,50 / /

V,

у

К

Р/

<>

' / У.

і 60

5 й 8 1) - торфяно-луговой, <р=22,5%; 2) - чернозём

1 - сопротивление корпуса ялуга без долота; 2- выщелоченный тяжелосуглинистый, с долотом; 3 - крошение почвы корпусом плуга <р-2б,4%; 3) - среднесуглинистый т'емно-

без долота; 4- с долотом серый, ¡р=20,9%

Рисунок 17 - Влияние наличия долота на корпу- Рисунок 18 - Плотность комьев после вспашки се на его тяговое сопротивление и на крошение полувинтовым (а), культурным (б), экспери-почвы ментальным без долота (в), эксперименталь-

ным с долотом (г) корпусами В полевых условиях в качестве оценочного показателя определялась также плотность комьев почвы после пашни (рисунок 18). Установлено, что при вспашке с экспериментальными корпусами плотность комьев ниже на торфяно-луговой почве на 4... 12 %, на чернозёме выщелоченном тяжелосуглинистом на 4... 12%, среднесуглинистом темно-сером на 6... 10% по сравнению с существующими корпусами.

В полевых условиях была проведена также энергетическая оценка различных корпусов плугов. На рисунке 19 представлены зависимости тяговых сопротивлений стандартных и экспериментального корпуса от скорости движения при разных глубинах обработки.

4G0G ЇС0ІІ

••• ж

V» Ш.Э Ч>. 13ГЛ( fcsfcSSL • /

.....w

. » \ 1

І ■''A 4

-і;«

* - • 5.V».'-»

Кк

S-vlj.ftX-' \ yOftSRx'-- f'.iStSc* R'«a7«0

t - cv>»cv • u.:- ♦ і ' \

_ __ * \

V li"" '" TP \ 4 ..... V.....

i 6 ? § -J \.кмч

1- культурный корпус; 2- полувинтовой; 3

экспериментальный Рисунок 19- Зависимость тягового сопротивления от скорости движения

р 7 9 v. WI

Глубина вспаиґки 1-20 см; 2-22 см; 3-25 см; 4 -28 см

Рисунок 20 - Зависітость коэффициента корреляции Кв по сопротивлению от скорости движения

Тяговое сопротивление экспериментального корпуса в среднем на 8...9% ниже по сравнению со стандартными корпусами во всем диапазоне рабочих скоростей. С помощью разработанной модели была произведена также энергетическая оценка разработанного корпуса по сравнению с российскими и иностранными аналогами. Удельное тяговое сопротивление экспериментального плуга лежит в пределах ОД8...0,25 Н/м2 , что ниже, по сравнению с культурным корпусом на 10%; полувинтовым - на 1...8%; корпусом плуга Куетекпс! - на 3.. .4%, корпусом плуга Ьеткеп - на 4.. .5%.

Скорость движения плуга кроме энергетических и качественных показателей существенно влияет на устойчивость хода плуга. На рисунке 20 показан график изменения коэффициента корреляции по тяговому сопротивлению К„ от скорости движения при разных глубинах вспашки. Из графика видно, что наиболее устойчивый ход плуга происходит при скоростях 9...10 км/ч. На этих же скоростях достигаются наиболее высокие показатели по крошению почвы и

лучшая заделка растительных остатков (рисунок 22).

л ..............

1 влажность почвы 16,5%; 2- влажность почвы 28%; 3- влажность почвы 22%

Рисунок 23 - Плуг с экспериментальными

Рисунок 22 - Заделки растительных остатков корпусами в агрегате с трактором МГЗ-чавист юсти от скорости движения туга 1221

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность внедрения результатов исследований» приводятся результаты производственных исследований разработанного плуга и оценка экономической эффективности его применения.

Использование предлагаемого плуга с разработанными экспериментальными корпусами (рисунок 23а) позволило снизить тяговое сопротивление до 8...9% по сравнению со стандартными корпусами и повысить качественные показатели по крошению и выравноненети поверхности поля, что благотворно повлияет на урожайность возделываемых культур. Результаты хронометража показали, что расход топлива экспериментального плуга ниже на 1,5...2 л/га, по сравнению с плугом с культурными корпусам и на 1...2 л/га по сравнению с плугом с полувинтовыми корпусами. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого орудия составляет 44,68 руб./га, а срок окупаемости -1,43 года при обработке поля площадью 250 га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия корпуса плуга с почвой на основе уравнений динамики сплошной деформируемой среды с учетом физико-механических и реологических свойств почвы, а также силы реакции дна и стенки борозды. Установлены начальные условия функционирования модели, связанные с физико-механическими и реологическими свойствами почвенной среды (плотность, вязкость, трение) и граничные условия, связанные с конструктивно-технологическими параметрами корпуса плуга. Установлено, что в процессе деформации пласта корпусом плуга давление со стороны дна борозды составляет 1,29...1,82*106 Па, а со стороны стенки борозды - 0,36...0,52*106 Па в зависимости от типа почвы и ее состояния. На основе

приведённых исследований разработана номограмма выбора вязкости среды для модели технологического процесса вспашки в зависимости от влажности реальной почвы.

2. Усовершенствована методика построения лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга, основанная на использовании в качестве направляющей кривой клотоиду и монотонном изменении угла наклона образующей у. У корпуса плуга, построенного по данной методике, коэффициент неравномерности распределения давления по рабочей поверхности на 25. ..55% ниже по сравнению с существующими рабочими органами. Удельное тяговое сопротивление экспериментального плуга ниже по сравнению с культурным корпусом на 11,4%; полувинтовым - на 7...8%; корпусом Куегпе1апс1 - на 3...4%, корпусом Ьеткеп - на 4.. .5%.

3. Обоснованы по результатам теоретических и экспериментальных исследований конструктивно-технологические параметры корпуса плуга, позволяющие снизить тяговое сопротивление и повысить качество вспашки:

- угол постановки лемеха ко дну борозды £=22-24°;

- угол оборота/?= 135...138°;

- угол постановки лемеха к стенке борозды у<г40°, у„т =44°;

- угол отгиба крыла отвала в продольно-горизонтальной плоскости ^=2.. .4°;

- угол отгиба крыла отвала в поперечно-вертикальной плоскости 5=3,5... 5°.

Корпус плуга с такими параметрами обеспечивает степень крошения на

выщелоченных чернозёмах тяжелосуглинистого и среднесуглинистого механического более 70%, степень заделки растительных остатков до 98%. Установка долота на корпусе плуга позволяет повысить степень крошения почвы на 10... 12%. После вспашки экспериментальными корпусами плотность комьев шоке на торфяно-луговой почве на 4... 12%, на чернозёме выщелоченном тяжелосуглинистом на 4.. .12%, на среднесуглинистом тёмно-сером на 6... 10%.

Установлена рабочая скорость движения плуга в пределах 9... 10 км/ч, при которой обеспечивается устойчивый ход и лучшее качество вспашки.

4. Установлено, что использование плуга с разработанными корпусами позволяет снизить тяговое сопротивление при вспашке на 8...9% по сравнению со стандартными корпусам. Результаты хронометража показывают, что расход топлива экспериментального плуга на 1,5...2 л/га, по сравнению с плугом с культурными корпусами и на 1...2 л/га по сравнению с плугом с полувинтовыми корпусами. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого плуга составляет 44,68 руб./га, срок окупаемости - 1,43 года.

Осповпые положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Фархутдинов И.М. Оптимизация геометрии лемешно-отвальной поверхности плуга /С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фархутдинов// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. - №4, - С.17-19.

2.Фархутдинов И.М. Моделирование работах органов почвообрабатывающих машин и анализ их взаимодействия с учетом реологических свойств

почвы /С .Г. Мударисов, А. А. Гафаров, И.М. Фархутдинов// Тракторы и сельхозмашины. 2009. - №5, - С. 23-27.

3.Фархутдинов И.М. Оценка технологического процесса обработки почвы на основе уравнений динамики сплошных сред /С.Г. Мударисов, М.М. Ямалет-динов, Рахимов З.С, И.М. Фархутдинов// Достижение науки и техники в АПК. 2010. №1,-С 63-65.

патенты и свидетельства:

4.Патент на полезную модель № 111380 Россия. Корпус плуга / С.Г. Мударисов, В.Г, Муфтеев, И.М. Фархутдинов - №2011135766; заявл. 26.08.2011; опубл. 20.12.2011. Зс

5.Свидетельство программы на ЭВМ № 2011611952 Россия. РЬ^И.Ьр /В.Г. Муфтеев, С.Г. Мударисов, А.Р. Марданов, И.М. Фархутдинов - № 2010617944; заявл. 14.12.2010; опубл. 03.03.2011. - Юс.

6.Свидетельство программы на ЭВМ № 2011614160 Россия. Программа формирования предельной линии задира на отсеке лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга /В.Г. Муфтеев, С.Г. Мударисов, А.Р. Марданов, И.М. Фархутдинов//'-№ 2010612350; заявл. 05.04.2011г; опубл. 27.05.2011г.- 10с.

в других изданиях:

7.Фархутдинов И.М. Геометрическое моделирование динамических поверхностей рабочих органов сельскохозяйственных машин / С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фархутдинов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Ульяновск: УГСХА, 2008. - С.136-144.

8. Фархутдинов И.М. Подсистема проектирования рабочих органов почвообрабатывающих машин в интегрированной системе АШоСас1-КОМПАС-Ркпу\%юп/ С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фархутдинов, Бадретдинов И.Д // Материалы XI,VII международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 3. -Челябинск: ЧГАУ, 2008 - С. 102-109.

9. Фархутдинов И.М. Интегрированная система Ах^оСай-КОМПАС-ПолЛ^юп для проектирования рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин / С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фархутдинов// Материалы всероссийской научно-практической конференции «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения». Часть 4. -Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2008. -С.99-104.

10. Фархутдинов И.М. Моделирование рабочей поверхности плуга в САПР / С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фархутдинов, Марданов А.Р// Известия международной академии аграрного образования. Выпуск №7 (2008), Том 1 № «Информационные технологии в эксплуатации МТП АПК». - С-Пб. 2008. - С.37-40.

11. Фархутдинов И.М. Моделирование рабочих поверхностей корпусов плутов В САПР / С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фархутдинов // Материалы ХЬУШ международной научно-практической конференции «Достижения науки — агропромышленному производству». Часть 4. -Челябинск: ЧГАУ, 2009 - С.143-148.

12. Фархутдинов И.М. Выбор типа направляющей кривой для построения лемешно-отвальной поверхности / С.Г. Мударисов, В.Г. Муфтеев, И.М. Фар-хутдинов // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК. Материалы всероссийской конференции с международным участием в рамках XIX Международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2009» (3-5 марта 2009 г.). Часть I. - Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2009. -С.119-121.

13. Фархутдинов И.М. Экспериментальная оценка основных реологических свойств почвы / Фархутдинов И.М. // Материалы XLIX международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 3. -Челябинск: ЧГАА, 2010 - С.131-137.

14. Фархутдинов И.М. Определение граничных условий при численном моделировании технологического процесса обработки почвы в FlowVision / С.Г. Мударисов, М.М. Ямалетдинов, Рахимов З.С, И.М. Фархутдинов // Материалы XLIX международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 3. -Челябинск: ЧГАА. 2010 -С. 154-160.

15. Фархутдинов И.М. Уточнение граничных условий для численного моделирования процесса работы корпуса плуга с учётом реологических свойств почвы. / С.Г. Мударисов, И.М. Фархутдинов // Материалы XLIX международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 3. -Челябинск: ЧГАА, 2010 - С.113-117.

16. Фархутдинов И.М. Критерии оценки технологического процесса для реологических моделей почвы / С.Г. Мударисов, М.М. Ямалетдинов, Рахимов З.С, И.М. Фархутдинов // Материалы XLIX международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». 4.3. -Челябинск: ЧГАА, 2010 - С.123-127.

17. Фархутдинов И.М. Измерение тягового сопротивления рабочих органов сельскохозяйственных машин / С.Г. Мударисов, И.М. Фархутдинов, Д.Т. Атнагулов // Материлы всероссийской научн. практ. конф. с междун. участием в рамках XX Международной специал. выставки «АгроКомплекс-2010», -Уфа, БашГАУ, 2010г.

18. Фархутдинов И.М. Определение граничных условий при численном моделировании технологического процесса обработки почвы с учётом её реологических свойств/ С.Г. Мударисов, М.М. Ямалетдинов, Рахимов З.С, И.М. Фархутдинов // Материалы XLIX международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». ЧастьЗ. -Челябинск: ЧГАА. 2010- С.127-129.

19. Фархутдинов И.М. Определение условий подобий для моделирования процесса работы корпуса плуга / С.Г. Мударисов, И.М. Фархутдинов // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК», УГСХА, -Ульяновск. 2010- С 136-138.

20. Фархутдинов И.М. Улучшение конструктивно-технологических параметров корпусов плугов / И.М. Фархутдинов // Материалы II Всероссийской

конференции «Инновационно-промышленный салон». -Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2011.-116-117.

21. Фархутдинов И.М. Определение условий подобий для моделирования процесса работы корпуса плуга / U.M. Фархутдинов // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» Состоите, проблемы и перспективы развития АПК, -Уфа: БашГАУ 2010. С 113-115.

22. Фархутдинов И.М. Результаты полевых экспериментов по определению энергетических и качественных показателей корпусов плугов /С.Г. Муда-рисов, И.М. Фархутдинов // Материалы L международной научно-практической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству, ЧастьЗ. -Челябинск: ЧГАА. 2010- С.117-120.

23. Фархутдинов И.М. Результаты энергетической и агротехнической оценки экспериментальных корпусов плугов / И.М. Фархутдинов // Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы: материалы IV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Уфа: ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ. 2011- С.142-145.

24. Фархутдинов И.М. Экспериментальная оценка плугов общего назначения / С.Г. Мударисов, И.М. Фархутдинов //Материалы всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития АПК» -Уфа: ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2011. -С215-218.

Подписано в печать гт.04.2012. Формат бумаги 60*S4l/i$. Усл. печ. л. 1,16. Бумага офсетная Печать трафаретная. Гарніпура «Тайме». Заказ 259. Тираж too ¡¿s.

Тппография ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» 450001. г. Уфа, ул. 50-летпя Октября, 34

61 12-5/2843

ФГБОУ ВПО «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ФАРХУТДИНОВ Ильдар Мавлиярович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛЕМЕШНО-ОТВАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА ПЛУГА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВСПАШКИ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Не ---------тси

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор С.Г. Мударисов

Уфа-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................8

1.1 Физико-технологические свойства почвы..............................................................8

1.2 Классификация и сравнительный анализ лемешных плугов............11

1.3 Методы проектирование лемешно-отвальных поверхностей

(ЛОП) корпусов лемешных плугов............................................................................................16

1.4 Технологические предпосылки развития конструкций рабочих органов плугов.........................................................................21

1.5 Анализ моделей почвенной среды............................................................................25

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОРПУСА ПЛУГА С ПОЧВОЙ....................................................................................................................................35

2.1 Напряженно-деформированное состояние почвы........................................35

2.2 Уравнение динамики почвенной среды........................................................................44

2.3 Постановка начальных и граничных условий функционирования модели........................................................................................................................................................................50

2.4 Проектирование лемешно-отвальной поверхности....................................64

Выводы по главе....................................................................................................................................71

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................72

3.1 Методика определения условий проведения исследований............72

3.2 Методика проведения лабораторных исследований по определению реологических характеристик почв............................................................74

3.3 Методика сканирования ЛОП корпусов плугов, создание ЗБ моделей......................................................................................................................................................................74

3.4 Методика проведения лабораторных исследований..............................79

3.5 Методика проведения лабораторно-полевых опытов............................81

3.6 Методика проведения производственных испытаний................................86

Выводы по главе....................................................................................98

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОРПУСА ПЛУГА............... 99

4.1 Результаты экспериментов по определению реологических свойств почв............................................................................ 99

4.2 Проверка адекватности модели........................................................................105

4.3 Обоснование соответствия физических свойств почвы и среды... 108

4.4 Результаты теоретических исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров корпуса плуга..............................110

4.5 Обоснование геометрических параметров корпуса плуга........... 114

4.6 Результаты полевых экспериментов по определению энергетических и качественных показателей корпуса плуга............................120

Выводы по главе............................................................... 129

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ЛЕМЕШНОГО ПЛУГА В ПРОИЗВОДСТВО..................................................................... 130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................. 137

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................... 139

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................... 148

ВВЕДЕНИЕ

Определяющее значение в системе механической обработки почв принадлежит основной обработке. Именно основная обработка в наибольшей степени определяет характер протекания физико-биологических процессов в

почве.

От качества выполнения технологического процесса основной обработки почвы во многом зависят физико-биологические и химические процессы, протекающие в пахотном и подпахотном горизонтах, количество последующих проходов орудий по полю, качество размещения семян в почве и т.д., что в конечном итоге сказывается на урожайности возделываемых культур.

Исследования, проведённые учёными БГАУ показывают, что при применении отвальной обработки, при возделывании сахарной свеклы, урожайность, по сравнению, например с обработкой глубокорыхлителями, выше в среднем на 10%, а себестоимость ниже на 20%. Кроме того, при отвальной вспашке существенно снижается пораженность заболеваниями

всходов [136].

Однако при вспашке почвы плугами общего назначения даже в период ее физической спелости в среднем только 20% поля соответствует агротехническим требованиям по степени крошения [93]. За счет того, что в процессе вспашки преобладающим видом деформации пласта является сжатие, после прохода орудия на поле образуются комки, плотность которых в некоторой степени даже превышает объемный вес почвы до обработки.

Решение данных проблем требует детального изучения процесса воздействия рабочих органов на почву, раскрытия внутренних процессов деформации, перемещения почвенных элементов и исследования влияния конструктивных параметров на качество обработки. При этом необходимо иметь в виду, что вспашка является самой энергоемкой операцией в растениеводстве, на ее осуществление приходится около 40 % энергозатрат подготовке почвы [7, 94].

по

В связи с этим работа, направленная на повышение качества и снижение энергоёмкости вспашки, является актуальной и имеет существенное значение

для развития страны.

Цель работы. Повышение качества и снижение энергоёмкости вспашки

путем совершенствования лемешно-отвальной поверхности (ЛОП) корпуса

плуга и обоснования его параметров на основе моделирования технологического процесса.

Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия

корпуса плуга с почвой.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия корпуса плуга

с почвой, изменения агротехнических и энергетических показателей работы в зависимости от его конструктивных и технологических параметров.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и методов механики сплошных сред и классической механики. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик проведения экспериментов с применением метода планирования. Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия корпуса плуга с почвенной средой на основе сочетания уравнения динамики сплошной среды и критерия прочности Кулона-Мора, с учетом физико-механических

свойств почвы.

2. Установлены начальные и граничные условия функционирования модели технологического процесса взаимодействия корпуса плуга с почвой с

учетом процесса уплотнения дна и стенки борозды.

3. Разработана методика проектирования трехмерной модели лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга с применением в качестве направляющей

кривой клотоиду и возможностью устранения задира пласта почвы бороздным обрезом.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. По

результатам исследований обоснованы конструктивно-технологические параметры и создан экспериментальный образец корпуса плуга, обеспечивающий качественное выполнение технологического процесса с более низкими

энергетическими показателями.

Внедрение результатов исследований. Опытные образцы усовершенствованного корпуса плуга использовались для основной обработки почвы на полях ООО «РегионАгро» Давлекановского района и в профессионального училища №82 с. Толбазы Аургазинского района Республики Башкортостан. Теоретические исследования используются при изучении курса «Сельскохозяйственные машины» в ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» и в профессиональном училище №82 с. Толбазы Аургазинского района.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование процесса взаимодействия рабочего органа

плуга с почвенной средой;

- экспериментальная оценка влияния параметров среды и конструктивных параметров корпуса плуга на его силовые и агротехнические показатели;

- теоретическое и экспериментальное обоснование конструктивно-технологических параметров корпуса плуга;

- технико-экономическая оценка эффективности применения разработанного экспериментального корпуса плуга.

Апробация. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Достижения науки -

агропромышленному комплексу» в 2008...2011 гг. (Челябинский ГАА, г. Челябинск), на всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном комплексе» в 2008...2011 гг. (Башкирский ГАУ, г. Уфа), «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновская ГСХА, г. Ульяновск) в 2008...2010 гг.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 24 научных статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 1 патент на полезную модель РФ, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ. Общий объем опубликованных работ составляет 7,05 пл., из них

авторских - 3,15 п.л.

Структура и объем работы. Основной материал диссертационной работы представлен на 138 страницах машинописного текста и содержит введение, пять глав, выводы и приложения. Диссертация содержит 27 таблиц, 57 рисунков и иллюстраций, приложений на 30 с. Список использованной литературы включает 139 источников, 3 из которых на иностранном языке. Задачи:

1. Разработать математическую модель технологического процесса взаимодействия корпуса плуга с почвой с учетом процесса уплотнения дна и стенки борозды.

2. Усовершенствовать методику построения лемешно-отвальной

поверхности корпуса плуга.

3. Обосновать конструктивно-технологические параметры ЛОП корпуса плуга и оценить их влияние на тяговое сопротивление и агротехнические показатели работы при различных почвенных условиях.

4. Разработать экспериментальный образец корпуса плуга, провести его лабораторно-полевые исследования и дать технико-экономическую оценку эффективности его применения.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Физико-технологические свойства почвы

Как материал обработки почва характеризуется физико-механическими и технологическими свойствами, знание которых необходимо для выбора рационального способа обработки и соответствующих орудий. По механическому составу почва является многофазной средой, состоящей из перемешанных между собой твердых частиц, воды, воздуха и живых организмов. От соотношения этих фаз зависят технологические свойства почвы. Вследствие больших колебаний соотношения этих фаз технологические свойства почв изменяются в широких пределах [7,10].

Твердая фаза состоит из минеральных и органических веществ. В зависимости от размера минеральных частиц различают коллоидные фракции (диаметр менее 0,001 мм), физическую глину (0,001 - 0,01 мм) и физический песок (0,01 - 3,0 мм). По содержанию физической глины различают глинистые, суглинистые, супесчаные и песчаные почвы. Глинистые почвы относятся к тяжелым. Обрабатывать их трудно. Они плохо крошатся, при повышенной влажности налипают на рабочие органы, а в сухом состоянии откалываются крупными глыбами. Песчаные почвы относятся к легким. Они хорошо крошатся при обработке, хорошо поглощают, но плохо удерживают влагу. Промежуточное положение между глинистыми и песчаными занимают

суглинистые и супесчаные почвы.

Почвенная влага существенно влияет на условия обработки почвы. Содержание влаги в почве в течение годового цикла изменяется от полного насыщения до минимального, и почва переходит от одной консистенции к другой. Время перехода от полутвердой к твердой консистенции считают оптимальным для механической обработки: почва хорошо крошится, не налипает на рабочие органы, затраты энергии на ее обработку минимальные. Такое состояние почвы называют физической спелостью. Граница влажности почвы, соответствующая физической спелости, с увеличением скорости

движения агрегата сдвигается в сторону больших значений, поэтому при увеличении скорости движения почвообрабатывающего орудия обрабатывать

почву можно при большей ее влажности [7].

Твердость почвы характеризует ее механическую прочность -способность сопротивляться внедрению твердого тела. При обработке твердой почвы затрачивают больше энергии, чем почвы менее твердой. Твердость почвы определяется отношением силы, приложенной к внедряемому телу (плунжеру), к площади его поперечного сечения (Н/см2). Твердость почвы зависит от ее влажности (с увеличением влажности снижается), плотности, состава и является косвенным показателем удельного сопротивления почвы.

Удельное сопротивление почвы (Н/см2) определяется отношением силы тягового сопротивления плуга к площади поперечного сечения поднимаемого пласта. Этой характеристикой почвы в основном пользуются для выбора ширины захвата орудий при составлении почвообрабатывающих агрегатов, определения норм выработки, расчета потребности в типах орудий. Удельное сопротивление почв колеблется в широких пределах и зависит от типа, строения и состояния почв. С увеличением влажности удельное сопротивление глинистой почвы снижается до минимума, а затем возрастает, так как начинает

проявляться липкость.

Липкость почв характеризует способность ее частиц склеиваться и

прилипать к рабочим органам и колесам сельскохозяйственных машин. Липкость измеряют отношением силы, которую необходимо приложить, чтобы оторвать прилипшую к почве стальную пластинку, к площади залипания (Н/см2) [53,63,75,105]. Степень липкости почв зависит от ее влажности и дисперсности. При постоянном нормальном давлении липкость с увеличением влажности почвы растет до какого-то максимума, а затем в результате увеличения толщины водных пленок на поверхности залипания снижается. С увеличением дисперсности почвы возрастает залипаемость орудий. У распыленной, обесструктуренной почвы липкость начинает проявляться при 40 - 50% относительной влажности, у структурной - при 60-70%. Поэтому

необходимо обеспечивать сохранение и восстановление структуры почвы, которая создает оптимальные условия плодородия и резко снижает

залипаемость орудий.

Сопротивление почвы сдвигу характеризует силы сцепления и

внутреннего трения частиц почвы. Сцепление, или связность, распыленных почв меньше, чем структурных. Первые оказывают меньшее сопротивление обработке, но подвержены водной и ветровой эрозии. Сопротивление почв сдвигу оценивают удельным усилием (Н/см2). Сопротивление сдвигу почв разных типов колеблется в пределах от 1 до 50 Н/см2, а для некоторых слитных и солонцовых почв достигает 80 - 130 Н/см2. Внутреннее трение играет важную роль для образования и сохранения грядок, гребней и борозд.

Трение скольжения почвы о поверхность рабочего органа называют внешним трением. Его определяют силой F сопротивления почвы перемещению ее по рабочей поверхности. Эта сила пропорциональна нормальному давлению N почвы на рабочий орган. Коэффициент пропорциональности (коэффициент трения) зависит главным образом от механического состава и влажности почвы. По данным профессора Г. Н. Синеокова [108], коэффициент трения песчаных сыпучих почв по стали изменяется в пределах от 0,25 до 0,35, песчаных связных - от 0,50 до 0,70, среднесуглинистых - от 0,35 до 0,50, тяжелых суглинистых и глинистых - от

0,60 до 0,90.

С производственной точки зрения трение при вспашке представляет собой вредное явление. Силы трения на лемешно-отвальной поверхности составляют 30 - 40% от всего сопротивления плуга (57,93). Поэтому разработка способов борьбы с трением имеет большое значение. Существует несколько способов снижения сил трения: применяют вибрацию, активные рабочие органы, создают пограничный слой из воды и воздуха по поверхности контакта почвы и рабочего органа, полируют отвалы, покрывают их различными материалами, заменяют скольжение почвы перекатыванием по роликам и что

является наиболее перспективным, надёжным и простым способом изменение геометрических форм рабочих поверхностей рабочих органов.

1.2 Классификация и сравнительный анализ лемешных плугов

В зависимости от типа почвы, назначения обработки и скорости движения в сельском хозяйстве применяются различные типы корпусов лемешных плугов, причём качество вспашки определяется конструкцией самого корпуса и формой рабочей поверхности корпуса плуга. По конструкции корпуса плугов различают отвальные, безотвальные, вырезные, почвоуглубительтельные, с выдвижным долотом [49].

Куль