автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы путем оптимизации зубчатых пар

На правах рукописи

МАЛЫГИНА Наталья Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИВОДА РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ /V - ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЗУБЧАТЫХ ПАР (НА ПРИМЕРЕ КУЛЬТИВАТОРА ZIRKON)

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 "ЮН 2011

Мичуринск - наукоград РФ 2011

4849629

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре «Прикладная механика»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук Арютов Борис Александрович

доктор технических наук, профессор Капустин Василий Петрович

кандидат технических наук, доцент Пустовалов Дмитрий Викторович

Ведущая организация:

Государственное научное учреждение -Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится sliU^u^J) 2011 года в/^счасов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при ФГОУ ВПО ^«Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационного совета.

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

Автореферат разослан «АЛ» 2011 года и размещен на сайте

http://www.mgau.ru/

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение эффективности растениеводства - важнейшая народно-хозяйственная задача. Решению этой задачи способствует применение интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Традиционные интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур включают в себя многократное рыхление почвы машинами с пассивными рабочими органами, в результате чего она не только рыхлится, но и уплотняется на глубину до 1 м, разрушается структура, из-за чего в ней увеличивается содержание пыли.

Для устранения указанного недостатка в настоящее время предлагается использовать почвообрабатывающие машины с активными рабочими органами. Однако культиваторы с горизонтальным расположением вала почвофрез, наряду с высоким качеством крошения, излишне измельчают почву, что приводит к ее быстрому уплотнению при выпадении ливневых осадков.

Отмеченного недостатка лишены ротационные почвообрабатывающие машины с вертикальными осями вращения рабочих органов. Вертикально-фрезерные машины обеспечивают поддержание почвы в мелкоструктурном состоянии, но имеют низкую производительность. Это объясняется, в частности, высокими потерями мощности в приводе рабочих органов из-за большого количества в нем зубчатых пар. Следовательно, возникает необходимость искать пути их совершенствования.

По мнению Артоболевского И.И., Журавлева Г.А., Левитского Н.И., Фролова К.В., Мусатова А.К., Попова С.А. и других ученых существуют возможности кардинального уменьшения энергетических потерь на трение в эвольвентной зубчатой паре. Следовательно, одним из путей повышения эффективности вертикально-фрезерных машин является совершенствование привода рабочих органов путем оптимизации зубчатых пар. Поэтому задача, заключающаяся в снижении энергетических потерь на трение в зубчатой паре с целью повышения эффективности функционирования машин для поверхностной обработки почвы, является актуальной.

Исследования и разработки, составляющие основу диссертационной работы, выполнены в соответствии с пятилетними планами научно-исследовательских работ Нижегородской ГСХА, координационной программой по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов».

Цель работы - повышение эффективности функционирования машин для поверхностной обработки почвы путем совершенствования зубчатых пар привода рабочих органов.

Объект исследований - зубчатые пары в приводе рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы.

Предмет исследований — закономерности функционирования зубчатых пар в приводе рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы.

Методы исследований. В теоретических исследованиях используются элементы теории систем, методы динамического анализа механизмов и машин. В экспериментальных исследованиях нашли применение методы динамического синтеза механизмов и машин, теория планирования эксперимента. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. Использовались серийные приборы и специально изготовленный стенд для определения коэффициента полезного действия (КПД) зубчатых передач.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- обоснование возможности совершенствования привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы путем оптимизации зубчатых пар;

- результаты теоретических исследований процесса взаимодействия зубьев в передаточных механизмах машин для поверхностной обработки почвы;

- результаты экспериментальных исследований и рекомендации по выбору рациональных параметров зубчатых пар;

- оценка эффективности функционирования на полевых работах культиватора Zirkon с улучшенным приводом рабочих органов.

Научную новизну составляют:

- модель оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы и алгоритм ее решения;

- установка для определения КПД зубчатых пар;

- зависимости показателей эффективности функционирования на полевых работах культиваторов Zirkon от конструкционных параметров зубчатых пар привода рабочих органов.

Практическая значимость заключается в разработке и обосновании оптимальных параметров зубчатых пар, позволяющих повысить эффективность функционирования машин при поверхностной обработке почвы.

Реализация результатов исследований. Улучшенные зубчатые пары культиватора Zirkon прошли производственные испытания в СПК «Красный маяк» Городецкого района Нижегородской области и в ТНВ «Шамов и К» По-чинковского района Нижегородской области.

Материалы исследований, 2 учебных пособия рекомендованы Министерством сельского хозяйства Российской Федерации и Учебно-методическим объединением вузов по агроинженерному образованию в качестве учебных пособий для студентов высших учебных заведений по агроинженерным специальностям, используются в учебном процессе Нижегородской ГСХА.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Нижегородской ГСХА (2003 - 2010 гг.), 4-ой международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК Северо-Восточного региона Российской Федерации» 10... 11 июля 2007 г. вНИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, научной международной конференции «Приоритетные направления развития науки, техно-

логий и техники» 20...27 ноября 2007 г. в Шарм-эль-шейх (Египет), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию Ульяновской ГСХА и 20-летию кафедры безопасности жизнедеятельности и энергетики «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» (Ульяновск, 6...8 февраля 2008 г.), научной международной конференции «Проблемы агропромышленного комплекса» 20...30 декабря 2009 г. в Бангкоке (Тайланд), международной научно-практической конференции Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук, профессора Лису-нова Е.А. и 40-летию кафедры «Надежность и ремонт машин» (2010 г.), международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск - наукоград РФ, 13... 14 мая 2010 г.), научной международной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» 20...27 ноября 2010 г. в Шарм-эль-шейх (Египет).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 2 - в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 6 - в материалах международных конференций, получены патент на изобретение, два патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 101 наименования, приложений. Работа содержит 111 страниц основного текста, 10 приложений, 8 таблиц и 31 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана её краткая характеристика и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» на основании анализа научных работ, литературных источников и патентного поиска по исследуемой задаче рассмотрены тенденции повышения эффективности поверхностной обработки почвы, пути совершенствования зубчатых пар привода рабочих органов вертикально-фрезерных культиваторов, дано обоснование приоритетных направлений исследований.

В основу проведенных научных исследований положены труды Артоболевского И.И., Арютова Б.А., Гавриленко В.А., Горшенина В.И., Горячкина В.П., Дорохова А.П., Журавлева Г.А., Зубарева Н.И., Иофинова С.А., Красно-щекова Н.В., Кряжкова В.М., Левитского Н.И., Лурье А.Б., Манаенкова К.А., Мусатова А.К., Охотникова Б.Л., Попова СЛ., Фролова К.В., и многих других ученых.

Оценка общего состояния задачи совершенствования привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы показывает, что привод рабочих органов этих машин несовершенен. Вместе с тем, существуют возможности улучшения привода путем оптимизации зубчатых пар. Это может быть достигнуто выбором рациональных коэффициентов смещений произво-

дящего контура и угла профиля зуба по критерию максимум КПД зубчатой пары.

Исходя из результатов анализа и в соответствии с поставленной целью, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Определить в системной взаимосвязи влияние конструкционных параметров на эффективность функционирования зубчатых пар привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы и научно обосновать их оптимизацию;

2. Провести теоретические исследования процесса взаимодействия зубьев в передаточных механизмах машин для поверхностной обработки почвы и обосновать конструкционные параметры зубчатых пар;

3. Провести экспериментальную проверку теоретических положений. Выявить зависимости показателей эффективности использования машин для поверхностной обработки почвы от конструкционных параметров зубчатых пар привода рабочих органов;

4. Провести, опытно-производственную проверку улучшенных зубчатых пар привода рабочих органов культиватора Zirkon и определить экономическую эффективность их применения.

Во второй главе «Теоретическое обоснование оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы» приведены теоретические исследования процесса взаимодействия зубьев в передаточных механизмах машин для поверхностной обработки почвы.

Анализ литературных источников показал, что в общем балансе мощности машинно-тракторного агрегата (МТА) (рисунок 1) наименее исследованы

МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ

ПОЛЕЗНАЯ МОЩНОСТЬ

А

К

Рисунок 1 - Баланс мощности МТА

потери мощности на привод активных рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Представление МТА в виде беспоисковой управляемой адаптивной технической системы с голономными связями позволило, используя метод динамического моделирования, составить уравнение его движения:

V2 Им 1 Ст \

где тп - приведенная масса, кг; vp - скорость точки приведения, м/с; ар - ускорение точки приведения, м/с2; л - обобщенная координата, м; Nk - мощность силы к (или пары сил), действующей на звено агрегата, без учета сил взаимодействия звеньев передаточного механизма рабочих органов, Вт; Ntj -мощность сил взаимодействия звена / со звеном j передаточного механизма рабочего органа, Вт; ц/у - коэффициент потерь мощности в зубчатой кинематической паре, образованной звеньями i и j; j = i +1.

т

В уравнении (1) £ Nk учитывает полезную мощность, затрачиваемую

-ы

на преодоление тягового сопротивления и сопротивлению вращению рабочих органов культиватора, а также потери мощности в трансмиссии трактора, на

о 1

буксование, подъем, перекатывание и привод ВОМ. Слагаемое учи-

тывает только потери мощности в культиваторе на привод рабочих органов.

Из уравнения движения МТА следует, что уменьшение потерь мощно-

л-1

сти в культиваторе на привод рабочих органов приводит к увеличе-

;=1

т

нию - полезной мощности МТА. ы

В свою очередь у/у = 1 - г/^, где 77у - коэффициент полезного действия зубчатой кинематической пары, образованной звеньями / и j. Поэтому в качестве обобщающего критерия оптимизации зубчатой пары принят максимум КПД передачи.

Проведенные на основании уравнения (1) теоретические исследования процесса взаимодействия зубьев показали, что КПД зубчатой пары есть функция геометрических параметров, определяющих кривизну профилей зубьев, -коэффициенты смещений ведущего и ведомого колес, угол профиля зуба:

0 + MK*sin(a*

П1} =rbi(rbl +f{aw sinov-----

Л, cos or^ ^ (2)

(l + k|b sin(a<* -arwL-i

--!—!-)) _> щах

AjCosaM,

где гы - радиус основной окружности ведущего колеса, мм; / - коэффициент трения скольжения; aw - межосевое расстояние зацепления, мм\aw-угол зацепления; uj4 - передаточное отношение от ведомого колеса к ведущему; aoj - угол профиля зуба при вершине ведомого колеса; utJ - передаточное отношение от ведущего колеса к ведомому; rai - радиус окружности вершин ведущего колеса, мм; aai - угол профиля зуба при вершине ведущего колеса. В этом уравнении

где т — модуль зуба, мм; а - угол профиля зуба; х,, Xj - коэффициенты смещений ведущего и ведомых колес соответственно; h"a - коэффициент высоты головки; z,, Zj - числа зубьев ведущего и ведомого колес соответственно.

Таким образом, при наложении ограничений: отсутствие заострения, подрезания и интерференции зубьев колес и выполнения условия непрерывности зацепления возможна оптимизация зубчатых пар по критерию (2).

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приводится алгоритм оптимизации зубчатых пар, изложена методика проведения лабораторного эксперимента и полевых испытаний.

Цель экспериментальных исследований - подтверждение теоретических положений, а также накопление экспериментального материала для обоснования практических рекомендаций по повышению эффективности функционирования машин для поверхностной обработки почвы путем оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов.

Разработанный алгоритм решения модели оптимизации зубчатых пар представляет собой последовательную процедуру, имеющую рекуррентный характер. Процесс поиска состоит из повторяющихся этапов, каждый из которых представляет собой переход от одного решения к другому, лучшему, что и образует процедуру последовательного улучшения решения (рисунок 2). Перебираются все возможные комбинации углов профиля и смещений колес передачи. Число I таких комбинаций (моделей) определяется числом значений углов профиля а, и коэффициентов смещений ведущего и ведомого колес соответственно хн, х{М), (где / = 1, N).

Для проведения лабораторных исследований разработан способ определения КПД зубчатых пар. Установлено, что

гы = 0,5mZj cos or,

(3)

(4)

(5)

где М® - момент движущих сил входного звена зубчатой кинематической пары, определяемый без учета сил трения, Н м; А/, - момент движущих сил входного звена зубчатой кинематической пары, определяемый с учетом сил трения, Н м.

Ы

•Гш/

Множество /-моделей («/. хц, Ха*\)!)

м

Нет

Soil > Ы?

Исключить модель

Нет

*//>М?

Да

[Vi+и] Нет Нет

Xjl> [*„ ,]?

Opt Xji, optx^i)l,

opt Я/

max

4 m* vi

П т*ы 1)! h I

1

Рисунок 2 - Структурная схема оптимизации зубчатых пар

В то же время для замкнутой системы согласно закону сохранения им-

пульса:

. MY = Mt.

(7)

Тогда, согласно уравнениям (6), (7):

где t - время работы момента М,, с; t0 - время работы момента М,°, с.

Уравнение (8) положено в основу предлагаемого способа определения КПД зубчатых передач.

Практическая реализация способа потребовала создания установки (рисунки 3,4), которая работает следующим образом.

Перед началом испытаний исследуется идеальная передача. Для этого собирают установку по схеме, показанной на рисунке 3.

Маятник 1 перед его установкой на входной вал 2 взвешивают и изменяют его массу таким образом, чтобы приведенная масса реальной передачи равнялась приведенной массе идеальной передачи. При проведении испытания модели идеальной передачи маятник 1 отклоняют на заданный угол q> и отпускают. Фиксируют время затухания колебаний маятника и заносят в лист наблюдений.

I - маятник; 2 - входной вал; 3 - выходной вал; 4, 5 - зубчатое колесо; 6 - стакан; 7 - опора винта; 8 - опора колонны; 9 - винт; 10 - колонны;

II - конус; 12 - плита; 13 - нижний фиксатор; 14 - верхний фиксатор

Рисунок 3 - Установка при испытании модели идеальной передачи

Для проведения испытаний реальной зубчатой передачи установку собирают согласно схеме, приведенной на рисунке 4.

Маятник 1 отклоняют на заданный угол <р (тот же что и при испытании модели идеальной передачи) и отпускают. Фиксируют время затухания колебаний маятника и заносят в лист наблюдений.

После проведения испытаний проводят статистическую обработку данных эксперимента и определяют величину КПД испытуемой зубчатой нары по формуле (8).

Местом проведения полевых испытаний выбраны хозяйства Нижегородской области: ТНВ «Шамов и К0» Починковского района и СПК «Красный маяк» Городецкого района. Испытания проводились на основе положений методик согласно: ГОСТ 24055 - 88, ГОСТ 24057 - 88, ОСТ 70.4.2-80, РД 10.22-89.

I - маятник; 2 - входной вал; 3 - выходной вал; 4, 5 - зубчатое колесо; 6 - стакан; 7 - опора винта; 8 - опора колонны; 9 - винт; 10 - колонны;

II - конус; 12 - плита; 13 - нижний фиксатор; 14 - верхний фиксатор

Рисунок 4 - Установка при испытании реальной передачи

В четвертой главе «Результаты и реализация экспериментальных исследований» представлены результаты оптимизации зубчатых пар, лабораторных исследований и полевых испытаний.

Параметрические ограничения в математической модели оптимизации выявили область допустимых значений коэффициентов смещений при различных допустимых углах профиля зуба (рисунок 5).

1

0,5

о

-0,5 -1 "1,5

i J -" |....... I i . ■

s k s

i 1 4 ! 1|9 2 4 /2 Э /

■ Л.

— 'f ■ J

а, град

-при нормализации

-при азотировании

-при цементации

Рисунок 5 - Границы поиска оптимальных геометрических параметров зубчатых пар культиватора Zirkon

Решение модели по разработанной нами программе показало, что с увеличением угла профиля зуба от 12 до 32° КПД пары возрастает (рисунок 6). Это объясняется уменьшением касательной составляющей окружной скорости ведущего колеса на линии зацепления, что приводит к снижению удельных скольжений профилей зубьев.

зо а, град

Рисунок 6 - КПД зубчатых пар при различных углах профиля производящего контура

Оптимальному значению угла профиля зуба (а=32°) соответствуют значения коэффициентов смещений: -0,35; +0,35 (рисунок 7).

Xl X2

Рисунок 7 - КПД допустимых равносмещенных зубчатых пар при оптимальном угле профиля

Таким образом, результаты математического моделирования показали, что при использовании улучшенных зубчатых колес (рисунок 86) в сравнении со стандартными (рисунок 8а), установленными на культиваторе Zirkon 7/300, КПД зубчатой пары увеличивается на 0,96%.

При сравнительной оценке эффективности работы культиваторов Zirkon с улучшенными и стандартными зубчатыми колесами использовались нормативные показатели, хозяйства, в котором проводились полевые испытания - СПК

а - стандартная: S|=S2=7,85 мм; rai—га2—327,2 мм; б - улучшенная: S,=5,66 мм; S2=10,03 мм; га]=125,85 мм; га2=Т29,36 мм

Рисунок 8 - Зубчатые пары культиватора Zirkon

«Красный маяк». Рассматривались все модели Zirkon с шириной захвата от 2,5 до 6,0 м (таблица 1).

Таблица 1 - Исследуемые агрегаты

Модель Zirkon Трактор Ширина захвата, м

Zirkon 7/250 Беларус -1222 2,5

Zirkon 7/300 Беларус - 11523 3,0

Zirkon 7/300 S Беларус - 1]523 3,0

Zirkon 7/400 Беларус - 11523 4,0

Zirkon 9/300 ХТЗ- 150К- 12 3,0

Zirkon 9/400 ХТЗ-21042 4,0

Zirkon 9/450 ХТЗ-21042 4,5

Zirkon 9/400 К ХТЗ-21042 4,0

Zirkon 9/450 К ХТЗ-21042 4,5

Zirkon 9/500 К К-744Р1 5,0

Zirkon 9/600 К К-744Р1 6,0

Zirkon 9/400 KA ХТЗ-21042 4,0

Zirkon 9/450 KA К-744Р1 4,5

Zirkon 9/500 KA К-744Р2 5,0

Zirkon 9/600 KA К-744Р2 6,0

Оптимизация показывает, что использование агрегатов со стандартными зубчатыми парами в приводе рабочих органов культиваторов в условиях хозяйства СПК «Красный маяк» не рационально (рисунок 9).

Эз, МДж

Z 2,5 3 3.5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

В, м

1 - стандартные зубчатые пары в приводе рабочих органов; 2 - улучшенные

зубчатые пары в приводе рабочих органов Рисунок 9 - Затраты энергии в зависимости от ширины захвата агрегата при поверхностной обработке почвы под картофель (207 га) и кормовую свеклу (994 га в условиях СПК «Красный маяк»

Расчет энергозатрат проводился по формуле:

э.=

36000

т п-1

+ Z^ryfC "Л-У^-Н cosaV (гы + fa,г sinaj-

м /=1 (9)

-/(лу (l +1 и л | sin(a4/. -aw)+ Л, (l + sin(a0, ~a№))' cos a„, ]))

где Q - объем работ, га; W4 - нормативная часовая производительность агрегата, га/ч.

При использовании культиватора Zirkon 7/300 экономия энергетических затрат по одному агрегату составляет 2228,7 МДж при выигрыше в мощности 12,4 кВт, что приводит к экономии топлива. В условиях хозяйства СПК «Красный маяк» расход топлива сокращается на 1,3 т за сезон.

Проведенный лабораторный эксперимент показал, что КПД улучшенной зубчатой пары превышает КПД стандартной на 1,2 ± 0,5%.

Сравнительные полевые исследования улучшенных зубчатых колес на агрегате МТЗ-82 + Zirkon 7/300 показали высокую их эффективность (таблица 2).

Ленточная технология Сплошная обработка

Стандартные зубчатые пары Улучшенные зубчатые пары Стандартные зубчатые пары Улучшенные зубчатые пары

Производительность, га/ч

4,5 4,65 3 3,6

Расход топлива, кг/ч

10,5 9 14,5 14

Энергоемкость, МДж/га

99,1 82,2 205,3 171,1

Показатель удельной металлоемкости, м3ч/га

0,0142 0,0138 0,0256 0,0214 j

Практическая реализация разработанных технических решений проводилась на культиваторе Zirkon 7/300 (рисунок 10).

ы Г^т gE Ж^Ш: ж ЗЩр

b 4 ? 7Г~ ь

Ш

ш

1 - каркас; 2 - паразитная шестерня; 3 - вал вертикальный; 4 - ножевой рыхлитель; 5 - навеска; 6 - опорное колесо; 7 - редуктор привода; 8 - стрельчатый рыхлитель

Рисунок 10 - Культиватор Zirkon

В предлагаемой нами конструкции привода рабочих органов культиватора паразитный зубчатый ряд составлен из колес, в которых отрицательное смещение ведомого (или ведущего) колеса (коэффициент смещения равен -0,35) равно по абсолютной величине положительному смещению ведущего (или ведомого) колеса. Межосевое расстояние при этом есть делительное межосевое расстояние, а угол зацепления 32° равен углу профиля производящего контура. Такой зубчатый ряд позволяет уменьшить потери мощности в приводе рабочих органов культиватора Zirkon 7/300 не менее, чем на 12 кВт, что приводит к снижению расхода топлива при выполнении полевых механизированных работ более, чем на 1,3 кг/га. При этом удалось довести уменьшение энергоемкости процесса обработки почвы до 123,1 МДж/га, удельной металлоемкости -до 0,012 м3ч/га.

В пятой главе «Оценка эффективности культиватора Zirkon с улучшенным приводом рабочих органов» представлены показатели производственной проверки результатов исследований, а также расчет экономической эффективности предлагаемых технических решений.

Производственная проверка предлагаемых технических решений проводилась на агрегате МТЗ 82+Zirkon 7/300 в СПК «Красный маяк». Отмечено, сокращение календарной продолжительности работы (поверхностная обработка почвы под пропашные культуры) на 3 дня за счет увеличения ее производительности. В результате урожайность картофеля увеличилась на 4,5 ц/га в сравнении с плановыми показателями.

Оценка экономической эффективности результатов исследований проведена в рамках ГОСТ 23730-88 «Методы экономической оценки универсальных машин и технологических комплексов». Годовой экономический эффект в СПК «Красный маяк» Городецкого района Нижегородской области составил 783 тыс. руб. при сроке окупаемости 0,95 лет.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ факторов в системной взаимосвязи, влияющих на эффективность работы вертикально-фрезерных культиваторов, показал, что высокие энергетические потери (до 20%) в передаточных механизмах не оправданы. Устранению этого недостатка препятствуют несовершенные методы проектирования зубчатых зацеплений. Вместе с тем существуют принципиальные возможности значительного улучшения зубчатых пар путем выбора кривизны их профилей.

2. Результаты теоретических исследований показали, что применение стандартных зубчатых пар с нулевым смещением производящего контура приводит к высоким потерям мощности в приводе рабочих органов вертикально-фрезерных культиваторов и к уменьшению полезной мощности двигателя агрегата до 6,8%.

• 3. Выявлен критерий оптимизации зубчатых пар - максимум КПД. Повышение КПД зубчатых пар привода рабочих органов культиватора Zirkon возможно путем изменения угла профиля в диапазоне от 9° до 32° и коэффициентов смещения ведущего и ведомого колес от -0,95 до +0,95.

4. Динамический анализ передаточных механизмов машин для поверхностной обработки почвы методом приведения сил и масс позволил составить математическую модель оптимизации зубчатых пар. В результате математического моделирования получены оптимальные геометрические параметры зубчатых пар привода рабочих органов вертикально-фрезерных культиваторов Zirkon: угол профиля - 32° при коэффициентах смещений -0,35; +0,35.

5. Исследования в лабораторных условиях показали увеличение значения КПД улучшенной зубчатой пары, в сравнении с применяемой на культиваторе Zirkon, не менее чем на 0,7%. Применение таких пар позволяет.уменьшить потери мощности в приводе рабочих органов культиватора Zirkon 7/300 на 12 кВт, энергоемкость процесса обработки почвы на 123,1 МДж/га, удельную металлоемкость - на 0,012 м3ч/га.

6. Сравнительные полевые испытания культиватора Zirkon 7/300 с усовершенствованным приводом рабочих органов показали увеличение производительности на 0,15 га/ч и снижение расхода топлива на 1,5 кг/ч.

7. Производственная проверка разработанных технических решений в СПК колхоз «Красный маяк» Городецкого района Нижегородской области подтвердила их эффективность. Годовой экономический эффект составил 783 тыс. руб. при сроке окупаемости 0,95 лет.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Важенин, А.Н. Оптимизация технической оснащенности производственных процессов в растениеводстве с учетом условий их функционирования [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, А.В. Пасин, Н.Н. Малыгина // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ.- 2008,- № 3/28- С.72-76.

2. Малыгина, Н.Н. Устройство для обработки почвы [Текст] / Н.Н. Малыгина // Сельский механизатор.- 2010.- №2.- С. 5.

Патенты

3. Патент РФ на изобретение №2383876, С2, G01L 3/26. Способ определения коэффициента полезного действия зубчатой передачи / Кистанов Е.И., Важенин А.Н., Арютов Б.А., Малыгина Н.Н., Козлов А.В., Пасин А.В. // Бюл.-2010.-№7.-6 е.: ил.

4. Патент РФ на полезную модель № 80948, Ul, G01L 3/26. Стенд для определения коэффициента полезного действия зубчатых передач / Кистанов Е.И., Важенин А.Н., Арютов Б.А., Малыгина Н.Н., Козлов А.В., Пасин А.В. // Бюл. - 2009 - №6.-2 с.': ил.

5. Патент РФ на полезную модель № 64847, Ul, АО 1В 33/06. Устройство для обработки почвы / Кистанов Е.И., Кистанов Д.Е., Козлов А.В., Арютов Б.А., Малыгина Н.Н., Ященко И.А. // Бюл. - 2007,- № 21. - 2 е.: ил.

Публикации в материалах международных конференций

6. Арютов, Б.А. Оптимизация технико-технологических параметров производственных процессов в растениеводстве [Текст] / Б.А. Арютов, А.В. Пасин, Н.Н. Малыгина // Фундаментальные исследования,- 2007.- № 11.- С.72-73. '

7. Арютов, Б.А. Оптимизация зубчатых передач [Текст] / Б.А. Арютов, Н.Н. Малыгина // Ресурсосберегающие технологии и технические средства в агропромышленном комплексе: Материалы международной научно-практической конференции Нижегородской ГСХА, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора Лисунова Е.А. и 40-летию кафедры «Надежность и ремонт машин».- Н. Новгород, НГСХА, 2010. -С. 85-89.

8. Малыгина, Н.Н. Критерии оптимизации зубчатых передач [Текст] / Н.Н. Малыгина // Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК Северо-Восточного региона Российской Федерации: Материалы Международной научно-практической конференции,- Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007,- С.149-150.

9. Арютов, Б.А. Совершенствование технических средств обработки почвы оптимизацией зубчатых передач [Текст] / Б.А. Арютов, Н.Н. Малыгина // Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК: Материалы международной научно-практической конференции МичГАУ. - Мичуринск - наукоград РФ, 2010.

10. Важенин, А.Н. Повышение эффективности производственных механизированных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве [Текст] / А.Н. Важенин, Б.А. Арютов, Н.Н. Малыгина // Современные наукоемкие технологии. -2010. №2. -С.39-41.

11. Арютов, Б.А. Совершенствование технических средств обработки почвы по ресурсосберегающим технологиям путем оптимизации зубчатых передач [Текст] / Б.А. Арютов, Н.Н. Малыгина, Т.С. Чичерова //Современные наукоемкие технологии. - 2011. №1. - С. 76-78.

Публикации в других изданиях

12. Обмер зубчатых колес [Текст] / Б.А. Арютов, Н.Н. Мусина, Н.Н.

, Малыгина: Методические указания. -Н. Новгород: НГСХА, 2003.-14с.

13. Профилирование эвольвентных зубьев методом огибания [Текст] / Б.А. Арютов, Н.Н. Малыгина, Л.Б. Малышевская: Методические указания. - Н. Новгород: НГСХА, 2003.-14 с.

14. Арютов, Б.А. Динамическая модель машинно-тракторного агрегата (МТА) [Текст] / Б.А. Арютов, Ю.П. Шариков, Л.Б. Малышевская, Н.Н. Малыгина // Совершенствование технико-эксплуатационных процессов энергетиче-

, ских средств в сельском хозяйстве и на транспорте: Сб. науч. тр. - Н. Новгород: НГСХА, 2007. - С,16-20.

15. Арютов, Б.А. Лабораторный практикум по теории машин и механизмов [Текст] / Б.А. Арютов, Л.Б. Малышевская, Н.Н. Малыгина: Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по агрономическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по специальностям 11030165 «Механизация сельского хозяйства», 11030365 «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции», 11030465 «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК». - Н. Новгород: НГСХА, 2007.-150 с.

16. Арютов, Б.А. Исследование эксплуатационных условий функционирования производственных процессов в растениеводстве [Текст] / Б.А. Арютов, А.В. Пасин, Н.Н. Малыгина Н Актуальные проблемы агропромышленного комплекса: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию Ульяновской ГСХА и 20-летию кафедры безопасности жизнедеятельности и энергетики. - Ульяновск: УГСХА, 2008. - С.3-11.

17. Арютов, Б.А. Методы повышения эффективности механизированных производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве [Текст] / Б.А. Арютов, А.Н. Важенин и др.: Допущено Министерством сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по агроинженер-ным специальностям. Под ред. А.Н. Важенина. - М.: Академия Естествознания, 2010.-365 с.

Подписано в печать 2011 г. Формат 60x84/16

Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № /Д5 603107, Нижний Новгород, 107, проспект Гагарина, 97 Типография НГСХЛ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

61 11 -5/2601 ца правах рукописи

МАЛЫГИНА Наталья Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИВОДА РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЗУБЧАТЫХ ПАР (НА ПРИМЕРЕ КУЛЬТИВАТОРА НИКОТ^)

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Арютов Б. А.

Н. - Новгород, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 10

1.1 Тенденции повышения эффективности использования машин для поверхностной обработки почвы 10

1.2 Пути совершенствования зубчатых передач с целью повышения эффективности использования машин для поверхностной обработки почвы 15

1.3 Анализ способов определения эффективности работы зубчатой

пары 21

1.4 Выводы 25

1.5 Цель и задачи исследований 26

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ ЗУБЧАТЫХ

ПАР ПРИВОДА РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ 27

2.1 Постановка задачи совершенствования привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы 27

2.2 Уравнение движения машинно-тракторного агрегата 32

2.3 Математическая модель оптимизации зубчатых пар привода

рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы 40

2.4 Выводы 45

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ 46

3.1 Цель и программа экспериментальных исследований 46

3.2 Разработка и реализация алгоритма оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов машин для поверхностной обработки

почвы 47

3.2.1 Алгоритм оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов

машин для поверхностной обработки почвы 47 3.2.2 Обработка результатов реализации алгоритма оптимизации

зубчатых пар 50

3.3 Методика лабораторных исследований 53

3.3.1 Методика расшифровки зубчатого венца 53

3.3.2 Способ определения коэффициента полезного действия зубчатых

пар 57

3.3.3 Установка для определения коэффициента полезного действия зубчатых пар и проведение лабораторных испытаний 62

3.3.4 Обработка экспериментальных данных 65

3.4 Методика полевых испытаний 68

3.4.1 Условия проведения эксперимента 68

3.4.2 Проведение полевых испытаний и обработка экспериментальных

данных 70

3.5 Выводы 71

4 РЕЗУЛЬТАТЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ 73

4.1 Результаты оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов

культиватора 21гкоп 73

4.2 Результаты сравнительных лабораторных исследований зубчатых

пар привода рабочих органов культиватора Игкоп 81

4.3 Результаты сравнительных полевых испытаний зубчатых пар

привода рабочих органов культиватора 21гкоп 84

4.4 Реализация результатов исследований на культиваторе 21гкоп 88

4.5 Выводы 90

5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КУЛЬТИВАТОРА 21КК0И С

УЛУЧШЕННЫМ ПРИВОДОМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 91

5.1 Показатели производственной проверки результатов исследований 91

5.2 Экономическая эффективность исследований 92

5.3 Выводы ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ

96 98 100 112

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности растениеводства - важнейшая народнохозяйственная задача. Решению этой задачи способствует применение интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Традиционные интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур включают в себя многократное рыхление почвы машинами с пассивными рабочими органами, в результате чего она не только рыхлится, но и уплотняется на глубину до 1 м, разрушается структура, из-за чего в ней увеличивается содержание пыли.

Для устранения указанного недостатка в настоящее время предлагается использовать почвообрабатывающие машины с активными рабочими органами. Однако фрезерные машины с горизонтальными осями вращения, наряду с высоким качеством крошения, излишне измельчают почву, что приводит к ее быстрому уплотнению при выпадении ливневых осадков [63].

Отмеченного недостатка лишены ротационные почвообрабатывающие машины с вертикальными осями вращения рабочих органов. Вертикально-фрезерные машины обеспечивают поддержание почвы в мелкоструктурном состоянии в течение всего периода вегетации, но имеют низкую производительность. Это объясняется, в частности, высокими потерями мощности в приводе рабочих органов из-за большого количества в нем зубчатых пар. Следовательно, возникает необходимость искать пути их совершенствования.

По мнению многих ученых [1, 2, 33, 37, 45, 86, 89, 100 и др.] существуют возможности кардинального уменьшения энергетических потерь на трение в эвольвентной зубчатой паре. Следовательно, одним из путей повышения эффективности вертикально-фрезерных машин является совершенствование привода рабочих органов путем оптимизации зубчатых пар. Поэтому задача, заключающаяся в снижении энергетических потерь на трение в зуб-

чатой паре с целью повышения эффективности машин для поверхностной обработки почвы, является актуальной.

Исследования и разработки, составляющие основу диссертационной работы, выполнены в соответствии с пятилетними планами научно-исследовательских работ Нижегородской ГСХА, координационной программой 0120.0 805768 от 19.05.08 по проблеме «Разработать системы технологи-зации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов».

Цель работы - повышение эффективности функционирования машин для поверхностной обработки почвы путем совершенствования зубчатых пар привода рабочих органов.

Объект исследований - зубчатые пары в приводе рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы.

Предмет исследований - закономерности функционирования зубчатых пар в приводе рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы.

Методы исследований. В теоретических исследованиях используются элементы теории систем, методы динамического анализа механизмов и машин. В экспериментальных исследованиях нашли применение методы динамического синтеза механизмов и машин, теория планирования эксперимента. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. Использовались серийные приборы и специально изготовленный стенд для определения коэффициента полезного действия (КПД) зубчатых передач.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- обоснование возможности совершенствования привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы путем оптимизации зубчатых пар;

- результаты теоретических исследований процесса взаимодействия зубьев в передаточных механизмах машин для поверхностной обработки почвы;

- результаты экспериментальных исследований и рекомендации по выбору рациональных параметров зубчатых пар;

- оценка эффективности культиватора Игкоп с улучшенным приводом рабочих органов.

Научную новизну составляют:

- модель оптимизации зубчатых пар привода рабочих органов машин для поверхностной обработки почвы и алгоритм ее решения;

- установка для определения КПД зубчатых передач;

- зависимости показателей эффективности функционирования машин для поверхностной обработки почвы от конструкционных параметров зубчатых пар привода рабочих органов.

Практическая значимость заключается в разработке и обосновании оптимальных параметров зубчатых пар, позволяющих повысить эффективность функционирования машин при поверхностной обработке почвы.

Реализация результатов исследований. Улучшенные зубчатые пары культиватора Игкоп прошли производственные испытания в СПК колхоз «Красный маяк» Городецкого района Нижегородской области и в ТНВ «Ша-мов и К» Починковского района Нижегородской области.

Материалы исследований, 2 учебных пособия рекомендованы Министерством сельского хозяйства Российской Федерации и Учебно-методическим объединением вузов по агроинженерному образованию в качестве учебных пособий для студентов высших учебных заведений по агро-инженерным специальностям, используются в учебном процессе Нижегородской ГСХА.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Нижегородской ГСХА (2003 - 2010 гг.), 4-ой международной научно-

практической конференции «Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК Северо-Восточного региона Российской Федерации» 10... 11 июля 2007 г. в НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, научной международной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» 20...27 ноября 2007 г. в Шарм-эль-шейх (Египет), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию Ульяновской ГСХА и 20-летию кафедры безопасности жизнедеятельности и энергетики «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» (Ульяновск, 6...8 февраля 2008 г.), научной международной конференции «Проблемы агропромышленного комплекса» 20...30 декабря 2009 г. в Бангкоке (Тайланд), международной научно-практической конференции Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук, профессора Лисунова Е.А. и 40-летию кафедры «Надежность и ремонт машин» (2010 г.), международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» международной научно-практической конференции (Мичуринск - наукоград РФ, 13... 14 мая 2010 г.), научной международной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» 20.. .27 ноября 2010 г. в Шарм-эль-шейх (Египет).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 2 - в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 6 - в материалах международных конференций, получены патент на изобретение, два патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 101 наименования, приложений. Работа содержит 111 страниц основного текста, 11 приложений, 8 таблиц и 31 рисунок.

Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н. профессору Важенину А.Н. и научному руководителю, д.т.н. Арютову Б.А. за ценные замечания и советы в процессе выполнения настоящей диссертационной работы.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Тенденции повышения эффективности использования машин для поверхностной обработки почвы

В доинфляционный период отмечалась устойчивая тенденция к повышению энергоемкости сельскохозяйственного производства. Увеличение прироста валовой продукции сельского хозяйства на 1% достигалось повышением на 1,8-2,7% используемых энергетических мощностей. Анализ показывает, что за последние 15 лет этого периода потребление овеществленной энергии возросло на 350%, а прирост растениеводческой продукции составил всего лишь 25% [29]. Повышение энергоемкости сельскохозяйственного производства, по мнению [29, 32, 42, 43, 48, 49, 57, 60, 63, 79, 93 и др.] обусловлено главным образом низкой эффективностью использования сельскохозяйственных машин. В то же время их эффективность в значительной мере определяется конструкционными параметрами.

Авторы работ [3, 12,13,18,19, 27, 31, 34, 35, 39, 46, 47, 51, 61, 64, 77, 84, 90, 91, 92, 98, 99 и др.] дают достаточно полное представление о современных тенденциях повышения эффективности сельскохозяйственных машин. Так, например, согласно [3] в условиях недостаточного или повышенного увлажнения наиболее эффективны ленточные технологии. Ленточная технология включает ресурсосберегающую систему обработки почвы, полосное и объемное рыхление. Ресурсосбережение достигается за счет замены зяблевой вспашки на глубину 20-22 см таким ресурсосберегающим приемом, как рыхление. В результате производительность в сравнении с технологией сплошной обработки почвы увеличилась в 1,3-1,5 раза, расход топлива снизился в 1,4... 1,6 раза. По показателю удельной металлоемкости ленточная технология эффективнее сплошной обработки в 1,6... 1,8 раза, по энергоемкости - в 2,1...2,3 раза. Прогнозируемая урожайность картофеля увеличивается в 1,2... 1,3 раза.

Другие авторы, например [13], проблему повышения эффективности сельскохозяйственных машин решают детерминированным учетом погодных условий при оптимизации использования машинно-тракторного парка.

Совершенствованию конструкционных параметров сельскохозяйственных машин посвящены научные и экспериментальные работы Н.И. Верещагина, В.И. Виноградова, А.П. Дорохова, А.И. Замотаева, Ю.П. Ковырялова, Ю.Л. Колчинского, Г.В. Корнеева, В.М. Кряжкова, А.Е. Кузнецова, P.M. Ла-тыпова, В.М. Лубенцова, В.Г. Николаева, К.А. Пшеченкова, В.И. Старовойтова, В.В. Тульчеева и других [15,16, 20, 41, 44 и др.].

Анализ работ показывает, что существующее положение в растениеводстве не отвечает современным требованиям. Так, например, по данным Г.Г. Косачева и В.В. Тульчеева затраты труда на производство клубней в коллективных предприятиях в 2,1 - 2,8 раза выше, чем при производстве зерна. Несмотря на высокие затраты, урожайность остается низкой [63].

Современная обработка почвы характеризуется [36] следующими особенностями, обусловленными внедрением новых технологий и мощных энергосредств:

- повышенные до 3 - 4,2 м/с рабочие скорости агрегатов;

- использование максимально возможной по условиям безопасности и дорожных требований ширины захвата;

- постепенная замена подрезающих рабочих органов рыхлительными;

- применение комбинированных почвообрабатывающих машин, оснащенных, кроме основных рабочих органов, широким набором дополнительных приспособлений, позволяющих с наименьшими затратами получить требуемое для предпосевной обработки качество рыхления и исключить тем самым повторные проходы агрегатов по полю;

- эксплуатация зарубежной техники, не всегда адаптированной для работы в отечественных условиях;

- все возрастающее использование орудий с дисковыми рабочими органами (бороны, лущильники), а также полевых фрез.

Традиционные интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур включают в себя многократное рыхление почвы орудиями с пассивными рабочими органами (рисунок 1.1), в результате чего она не только рыхлится, но и уплотняется на глубину до 1 м, разрушается структура, из-за чего в ней увеличивается содержание пыли [59].

1 - рама; 2 - батарея дисков рабочего органа; 3 - лапа рабочего органа

Рисунок 1.1- Сельскохозяйственные машины с пассивными рабочими

органами

Наличие же большого количества бесструктурных частиц создает реальную угрозу для заплывания почвы и образования корки, вследствие чего ухудшаются процессы газообмена, увеличивается плотность сложения.

Учитывая, что сельскохозяйственные культуры нуждаются в глубоко разрыхленной хорошо проницаемой для воды, воздуха и теплоты почве, в настоящее время предлагается использовать почвообрабатывающие орудия с активными рабочими органами [63]. Однако фрезерные орудия с горизонтальными осями вращения (рисунок 1.2), наряду с высоким качеством крошения, излишне измельчают почву, что приводит к ее быстрому уплотнению при выпадении ливневых осадков.

Рисунок 1.2 - Фрезерный культиватор с горизонтальным расположением вала

Изучая влияние окружной скорости на энергоемкость фрезерования при междурядной обработке почвы, Г.Ф. Попов установил, что при повышении скорости в 3 раза расход мощности возрастает с 1,01 до 1,9 кВт на одну секцию пропашной фрезы ФПН-2,8, а выход мелких фракций увеличивается на 13,4%. Еще в 1938 г. профессором Г.И. Покровским [78] было замечено, что в дисперсной среде процесс рассеяния энергии протекает с определенной конечной скоростью, и при увеличении скорости энергия накапливается, в результате чего сопротивляемость системы с увеличением скорости дефор-

1 - рама; 2 - редуктор; 3 - почвофреза

мации увеличивается. Это явление особенно проявляется при скоростях 1,1 — 4,7 м/с, когда наиболее вероятно появление эрозионно-опасных частиц [52].

Отмеченного недостатка лишены ротационные с вертикальными осями вращения бороны (рисунок 1.3). Использование активных фрезерных рабочих органов обеспечивает поддержание почвы в мелкоструктурном состоянии [11].

1 - рама; 2 - привод; 3 - рабочий орган Рисунок 1.3 - Ротационная борона с вертикальными осями вращения

Вместе с тем, ротационные бороны с вертикальными осями вращения в сравнении с машинами, имеющими горизонтальное расположение вала, имеют низкую производительность. Это объясняется тем, что рабочий орган вертикально-фрезерного культиватора оказывает большее сопротивление поступательному перемещению агрегата, чем рабочий орган горизонтально-фрезерного культиватора. Кроме того, вертикально-фрезерные культиваторы в