автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса рыхления почвы роторным рыхлителем

Министерство сельского хозяйства

.РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

. ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Д. Глинки

Беляев Владимир Ильич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЫХЛЕНИЯ ПОЧВЫ РОТОРНЫМ РНХИИТМЕМ

05.20.01. - Механизация сельскохозяйственного производства

^Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи - УДК 629.1.02/03 + 63Г.316.2.001

Воронеж - 1995 г.

Работа выполнена на кафедре .. Тракторы и автомобили " Воронежского государственного аграрного университета

Научные руководители : доктор технических наук.прфессор jS.M. Харитончик , канд. техн. наук, профессор , "лауреат Государственной премии СССР Й.Р. Размыслович

•Официальные оппоненты,: д.т.н., проф., чл.-корр. акад.

естеств.наук Российской Федерации

ILM. Бартенев ;

к.т.н., доц. В.И. Нагорнов.

Ведущая организация - Всероссийский ШИ земледелия и защиты почв от эрозии

Защита состоится >■ Л2 " 1995г. в • /з ч.

на заседании специализированного Совета К 120.54. 02 Воронежского ГЛУ .

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями заверенными печатями, просьба направлять по адресу: 394087 , г. Воронеж , ул. Мичурина I, ВГАУ , ученому секретарю специализированного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАУ.

.Ученый секретарь, специализированного Совета, ' ^ у кандидат технических наук, Й.В. Шатохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность..Повышение производительности труда в земледелии обеспечивается путем технического перевооружения, внед -рения прогрессивных технологий и технических средств. В кош -лексе работ, способствующих использованию прогрессивных технологий и технических средств важное значение имеют теоретиче -ские и экспериментальные исследования. Это относится и к роторным машинам, обеспечивающим более совершенную технологию обработки почвы.

Существующая технология основной обработки почвы на базе известных машин не удовлетворяет требованиям, особенно при ее повышенной твердости, либо по качеству крошения, либо по затратам энергии. Не удовлетворяет она и тем,что для выполнения технологического процесса рыхления используется движитель тягово-энергетического средства, в котором часть энергии теряется на уплотнение почвы, отрицательно влияющее на урожайность сель -скохозяйственных культур.

Разработка технологического процесса с созданием почвообрабатывающей машины, рабочие органы которой выполняют рыхление с меньшей энергоемкостью и минимальным воздействием ходовой опоры тягово - энергетического средства на почву является актуальной проблемой.

Цель работы. Совершенствование технологического процесса рыхленйя почвы выбором параметров роторного рыхлителя, обеспечивающего интенсивное ее крошение при работе одновременно в качестве движителя самоходной почвообрабатывающей машины.

Объект исследования. Технологический процесс рыхления, осуществляемый роторным рыхлителем, при работе машины без воздействия движителей тягово- энергетического средства на почву.

Работа выполнена в соответствии с планом научно - исслэ -довательских работ Воронежского СХИ.

Научная новизна исследований состоит в обосновании основных характеристик рыхления почвы роторным рыхлителем, его параметров, связанных с совершенствованием технологичесного процесса путем смещения мгновенного центра вращения рабочего ор -гана в почву для улучшения ее крошения.

Практическая ценность. Рекомендации по выбору характеристик могут быть использованы при создании движителя -рыхлителя самоходной почвообрабатывающей машины.

Впервые разработана методика определения энергетической оценки технологического процесса рыхления почвы. Йо разработанной методике исследованы нагрузки,действующие на рабочие органы, в целом рыхлитель на почвах разной характеристики. Методика определения энергетической оценки технологического процесса рыхления почвы позволяет обеспечить детальный энергетический анализ движителя - рыхлителя, его рабочего органа и привода, а также выбрать характеристику источника энергии.

На основании изложенной методики выполнены технические разработки самоходной почвообрабатывающей машины. Технические решения защищены авторским свидетельством и двумя патентами на изобретения.

Реализация. Предложенный технологический процесс рыхления почвы роторным рыхлителем прошел проверку на полях опыт -ной станции Воронежского СХИ. Технические проработки рыхли -теля и результаты исследований переданы Семилукскому ремонт-нон; техническому предприятию Воронежской области для изготовления опытных образцов.

Апробация. Основные положения диссертации доложены на научных конференциях профессорско - преподавательского состава факультета механизации Воронежского государственного arpa -университета / 1973 - 1994 г.г. /, на научно- техническом совете ЦНИШЭСХ / г. Минск, 1979 г. /, совместном заседа -ний кафедр к Сельхозмашины ", » Тракторы и автомобили " Белорусского института механизации сельского хозяйства с участием научных сотрудников ЩШИМЭСХ / г. Минск , 1985 г. /, во Всероссийском научно- исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии / г. Курск , 1987 г. /, в Белорусской сельскохозяйственной академии / г. Горки, 1987 г. /.

Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, включая авторское свидетельство и два патента Российской Федерации. Без соавторов опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе -няя, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения . Работа изложена на 135 страницах основного машинописного текста, включает 66 рисунков и 15 таблиц. Список литературы состоит из 116 наименований, из них 4 на иностранных языках. Прилокенне содержит 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во » Введении " обоснована актуальность темы, приведены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор по основным направлениям совершенствования обработки почвы,в том числе ротационными машинами,дан анализ их теоретических исследований. Приведены результаты исследований взаимодействия рабочих органов с почвой различных ротационных машин. Осуществлен краткий обзор поисковых работ по созданию роторного рыхлителя, в основу которого положен принцип рыхления отрывом пласта. В ней прово -ден анализ энергетических показателей ротационных почвообра -батываюцих машин и влияние реализации создаваемой ими движу -щей с дли на эти показатели. Осуществлен выбор объекта,поставлены задачи исследования.

Поискам пути снижения энергоемкости роторных рыхлителей посвящены исследования А.Д. Далина, li.B.Павлова, £.11. Яцук, Н.Б. Бок, И.М, Панова, Ф.С.Завалишина и C.B. Рубцова. Сниже -ние энергоемкости рыхления почвы обеспечивают выбором параметров рыхлителей, режима работы, изменением начального состояния обрабатываемой почвы.

В Воронежском СХИ по инициативе изобретателя 2.Ф. Яко-бина проведены работы по создании роторного рыхлителя,в основу которого положен принцип рыхления отрывом пласта. Исследованиями C.B. Рубцова и Ф.С. Завалишина установлено существенное снижение затрат энергии на рыхление почвы машиной. Ими рэкомендоваш некоторые характеристики рыхления почвы,в частности толщина отрываемого пласта, параметры рабочих органов в условиях работы рыхлителя с сохранением воздействия двики -телей тягово- энергетического средства на почву.

На кафедрэ тракторов и автомобилей Воронежского СХИ проведены исследования технологического процесса рыхления, обеспечиваемого роторным рыхлителем при использовании его в качестве двияштеля- рыхлителя самоходной машины. Они показали неудовлетворительное крошение почв повышенной твердости.

Отсутствие методики выбора характеристик рыхления для этих условий, а такве методики энергетической оценки технологического процесса рыхления почвы на позволяют дать ему де -тальный анализ.

Это относится а к движителю,созданному в Италии - назван-

ный автоплуг <. Довези и Толотти ",- выполняющий одновременно частичное рыхление почвы.

Выявлено, что технологический процесс рыхления основанный на принципе взаимодействия металлических зацепов колеса-ротора с почвой мало изучен, характеристики рыхления почвы и взаимосвязанные с ними параметры рыхлителя недостаточно обоснованы. Отсутствие методики определения энергетической оценки технологического процесса рыхления почвы не позволяют дать более объективную оценку этому процессу. На основании анализа состояния вопроса предстояло решить следующие задачи иссле -дований :

1. Обосновать основные характеристики ршиения почвы и взаимосвязанные с ними параметры роторного рыхлителя.

2. Выявить процесс деформации почвы рабочим органом при выбранных характеристиках, а также качественные показатели рыхления.

3. Разработать методику определения энергетической оценки технологического процесса и дать эту оценку на почвах разной характеристики.

4. Осуществить сравнительную оценку процесса рыхления, выполняемого роторным рыхлителем и другими агрегатами, дать предложения по его использованию.

Во второй главе дано теоретическое обоснование по со -вершенствованию технологического процесса рыхления почвы роторным рыхлителем ; осуществлен выбор характеристики процесса и взаимосвязанных с ним параметров рыхлителя, рассмотрен характер изменения удельного сопротивления почвы с учетом особенности ее обработки, изложена методика определения энергетической оценки технологического процесса рыхления и дана эта оценка на некоторых типах почв.

Основоположники отечественной науки по земледельческой механики В.П.Горячкин, Г.М. Гологурский, М.Х.Пигулевский, их последователи В.А.Желиговский, Г.Н.Синеоков, Е.М.Харитончик, В,В. Каицгин и другие ученые разработали различные теории и гипотезы раэруиения почвы применительно к рабочим органам почвообрабатывающих орудий и почвозацепам тяговых машин.Разнообразие теоретического подхода объясняется сложностью тех-

нологических процессов, выполняемых рабочими органами, их совершенствованием.

Используя результаты исследования М.Х.Пигулевского, Е.М. Харитончика, Ф.С.Завалишина в области взаимодействия металлических зацепов колеса с почвой и рабочих органов ротора выполняющих рыхление на том же прицепе, обоснованы характеристики более совершенного технологического процесса.

Толщина отрываемого пласта выбиралась с точки зрения наименьшего количества рабочих органов, вместе с ним минимальных затрат энергии на их внедрение с достижением в равной мере предельной деформации отрыва и сжатия пласта.

Предельную деформации отрыва и сжатия пласта можно обеспечить, согласно исследованиям М.Х.Пигулевского, достижением отношения величины деформации к длине плеча рабочего органа, осуществляющего заданную деформацию, равным 0,20...О,25. В целях достижения качественных показателей рыхления почвы минимальным количеством рабочих органов, целесообразно повысить это отношение до 0,3...О,4 и осуществить окончание сжатия и сдвига верхнего слоя почвы относительно нижнего в условиях достижения деформации отрыва предельной величины.

Заданное соотношение обеспечили путем выбора параметров роторного рыхлителя, исходя из условия:

внедрения рабочего органа на глубину 20...22 см пахотного слоя, принимая во внимание, что одной из главных задач современного земледелия является окультуривание этого слоя на глубину до 22 см ;

равенства плеч с нагрузками, действующими на рабочий орган в сторону и против вращения машины при максимальном внедрении смещением его мгновенного центра вращения в почву.

В качестве направляющего устройства рабочего органа использовали шатунный четырехзвенник, так как удовлетворяет требованиям:

возможности регулирования траектории рабочего органа в широких пределах, в частности, от траекторий близких вертикали, до параболического и другого видов, обеспечивающих сложный процесс деформации почвы ;

создания на его основе компактного механизма в закрытом виде, что позволит обеспечить его надежность и высокий КЦЦ^ При выборе параметров роторной машины принимали во внима-

ние характер изменения (рис. 1а) зависимости (I) и (2):

где ¿ч - расстояние от начала рабочего органа (элемента В) до точки е , линейная скорость которой направлена вдоль его оси; у'т и /а - скорость элементов т и В относительно точки £ ; - расстояние от элемента В до точки 0 с нулевым значением горизонтальной составляющей скорости ; ^ - отношение угловой скорости рабочего органа к угловой скорости ротора ; Л - радиус окружности, на которой установлена ось качания рабочего органа; р - радиус качения машины.

Учитывали следующие факторы:

каждому значении /5 - радиуса остова ротора (рис. 1а), принятом равным радиусу качения, требуется определенное соотношение ф- согласно выражения (2), чтобы обеспечить заданное равенство плеч на рабочем органе ;

каждому значению необходимы определенные параметры четырехзвенника.

Используя выражение (2) получена область изменения зависимости ^ = _/(р,Ро). При значенияхи / , обеспечивающих величину дг0 (рис. 1а) близкую минимальной, используя метод акад. И.И.Артоболевского, получена область изменения зависимости =у(/г,£'з). При параметрах, одновременно удовлетворяющих зависимости ^ и ^ =/(&,М.При /> = г0 = 270...300 мм (выбранных значениях остова ротора) получены траектории рабочего органа и горизонтальная деформация нижнего и верхнего слоя почвы.

Исходя из поставленной задачи и принятых условий выявлены наиболее приемлемые параметры машины (в мм): = 250 ;= 290...300 ; £,= 75; Ег = 235 ; Рз = 47,5...52,5 ; у = 1,80 рад (рис. 1а). При выбранных параметрах рабочей орган в зоне внедрения перемещается по траектории, обеспечивающей минимальную деформацию почвы (рис. 16). В зоне максимального внедрения, при скорости взаимодействия его с почвой менее скорости машины в 4...6 раз, обеспечивается деформация 38...50 мм нижнего и 5с = 32...38 мм верхнего слоя. В зоне выхода из почвы рабочий орган перемещается при небольшом угле V7 к вертикали , элементы его выходят по линиям Ъ - Ъ , Увеличением вз ( эксцентриситета ) до 58 мм можно снизить деформацию почвы

до величины, получаемой при процессе, близком штыкованию.

Рис. I. Схема роторного движителя-рыхлителя (а) и взаимодействия его рабочего органа с почвой (б)

Рабочие органы существующих почвообрабатывающих машин выполняют, как правило, в виде клина с односторонней заточкой. Объясняется это тем, что выигрыш в усилии резания при этом составляет около 40%. Рабочий орган такого типа (долотообразной формы) обоснован С.В.Рубцовым и Ф.С.Завалишиным для роторного рыхлителя, обеспечивающего внедрение его в почву по траектории близкой вертикали.

При взаимодействии рабочего органа с почвой с учетом конструктивных параметров, траектории движения имеем разнообразное распределение нагрузок на его наиболее нагруженных плоскостях 0-0, С - С, р - р и боковых поверхностях (рис. 2): где $о , и ^р - удельные нагрузки на наиболее нагруженных плоскостях, действующие по нормали к ним ; а0 , ^ и - нагрузки от трения о почву, их результирующие ус , действующие

под углом трения //■ . При известном законе распределения нагрузок , , ^ вдоль плоскостей можно определить результирующие: ЛР, =Р'о- />е' - р'ор и Л = л" + Р'с + (составляющим &Р' И Рос \, рис. 2).

От трения боковых поверхностей рабочего органа о почву возникают нагрузки, действующие на элементарные площадки в сторону, обратную скорости движения их. Суммарная величина (составляющая лР' от нагрузок и ^'¡¡^определяется таким ste путем. Суммарную нагрузку от yZ и ^-V, действующую в сторону />ое.(рис. 2) можно представить:

с о

Рз. -f1ng(./,JsC0SEscl£+Je-cpaCPSt<ic/£) где /?„ и / - количество и ширина боковых поверхностей ; £0 и te - пределы интегрирования ниже и выше линии е' - е' ; ¿л и fr- величина угла между направлением продольной оси и результирующими скоростями элементарных площадок наиболее удаленных от той ке линии.

Интегральные выражения (3) решаются приближенным методом с помощью формулы трапеций или Симпсона.

При определении суммарных нагрузок на рабочем органе в качестве допущений примем:

нагрузки ç'e , р'с и у'р на элементарных площадках, имеющих наибольшие углы Со , ic и ЕР (рис. 2),изменяются в зависимости от величины деформации -So , S с и Sp по прямолинейной зависимости или с отклонением от нее, согласно работам В.В.Ка-цыгина и др., и находятся в области изменения удельного сопротивления почвы по глубине пахотного слоя ; вдоль наиболее нагруженных плоскостей они изменяются с отклонением от прямолинейной зависимости (по квадратной параболе) ;

коэффициент трения, в связи с перемещением рабочего органа по слокной траектории, принимает наименьшие значения из возможной области его изменения и постоянен по глубине ;

удельные нагрузки от упругой деформации почвы на боковой поверхности составляет нагрузки при полной деформации

согласно работам А. К.Кострицина ;

сопротивление почвы деформации и коэффициент трения интенсивно уменьшаются в зоне выхода рабочего органа в связи с отрывом и разрушением пласта.

Но изложенной методике имеется возможность определить нагрузки по всем плоскостям рабочего органа и результирующие силы, действующие на него в функции f - угла поворота ротора. Определены моменты относительно его оси качания. Приведение всех нагрузок к результирующим дР', Рос и мо-

•менту относительно оси качения рабочего органа показало:

результирующие силы и моменты Ма в функции У на легко- и среднесуглинистых почвах мало различаются и достигают максимальной величины при У = 1,31..Л,57 рад;

в отличие от результирующая Рос. увеличивается с повышением твердости почвы и имеет обширную область изменения ;

область Рос = / ( У) мало отличается от области изменения силы р - у (А), полученной С.В.Рубцовым и Ф.С.Завалтаиным при внедрении одиночного рабочего органа в монолит тяжелого суглинка влажно- .........." ""

стыо менее 16 %. /

Произведя .

суммирование горизонтальных и вертикальных составляющих сил, действующих на рабочие органы,находащиеся одновременно в почве в одной плоскости с исследуемым на разных держателях, получим данные о нагрузках на машину.

Установлена величина суммарной горизонтальной составляющей силы , названной "избыточной" движущей силой, которая составляет 635. . .742 Н. Отклонение ее от средней величины а функции У не превышает 12...12,5 %. Практически в тех же пределах в процентах имеет отклонение вертикальная составляющая сила.

Основным параметром, определяющим величину

Рис. 2.Схема нагрузок,действующих на рабочий орган

затрат энергии на рыхление является момент сопротивления роторной машины от нагрузок, действующих на рабочие органы.

Момент сопротивления можно в общем случае представить в виде (рис. 3):

+ Роха (4)

«о,

где

М Х<- * т{_ Р*1У1 +т% Мл

¿ = / 1-1 » ¿-V

/} - количество держателей, рабочие органы которых вза-

имодействуют одновременно с почвой ; т - число рабочих органов на держателе ; „

тЛРшХи. и - сумма моментов соответ-

ственного^ вертикальных и горизонтальных составляющих сил ;

и Роу« - моменты от горизонтальной и вертикальной составляющей реакции почвы, действующей на остов ротора ;

- сумма приведенных моментов от рабочих органов к йстгову ротора ; Мт - момент трения в приводе.

В (4) первое, второе и четвертое слагаемые определяют энергию, идущую на • рыхление почвы рабочими органами. Третье слагаемое необходимо отнести тоже к затратам энергии на рыхлее ние, так как сила Рвх 1 а вместе с нею момент вызваны недоиспользованием движущей силы Рх , создаваемой рабочим органом.

На выбранных почвах, пользуясь значениями Рщ,Рхс, ХсИ (рис. 3), а так же Мв и ^ , получены области изменения в функции У составляющих момента сопро- Рис' 3> Схема сил и моментов,дей-гивления. ствующих на роторный рыхлитель

Суммирование этих моментов на рабочих органах, расположенных в одной плоскости с исследуемым на разных держателях, показало незначительное изменение в функции у результирующего момента. Отклонение от средней величины не превысило 4,3%.

Выявлена энергоемкость технологического процесса, которая определяется через отношение затраченной энергии рабочим органом на единице пути к объему взрыхленной почвы:

Af/bes • (5)

где M - момент сопротивления машины от нагрузок, действующих на рабочие органы ; f - угол ее поворота на пути S ; h и в - глубина рыхления и ширина захвата ; £ - КЦЦ привода.

При рекомендуемом C.B. Рубцовым и Ф.С.Завалишиным расстоянии меящу рабочими органами, равном 12 см,средней глубине рыхления - 20 см, КПД привода - 0,9 определено, что энергоемкость рыхления изменяется в пределах 42...66 кДк/м3 на легкосуглинистой почве и 60...68 кДж/м3 на среднесуглинистой.

В третьей главе изложены программа и методика исследований, описаны экспериментальная роторная почвообрабатывающая машина, измерительная аппаратура и методика постановки лабора-торно-полевых опытов, выбраны критерии оценки. В ней представлена методика определения энергетических показателей технологического процесса рыхления почвы с тенэометрическими узлами • для измерения этих показателей. В частности, описаны тензомет-рические узлы для измерения нагрузки, действующей со стороны почвы вдоль продольной оси рабочего органа, по нормали к этой оси с замером момента относительно оси качания рабочего органа. По выбранным критериям дана оценка погрешности измерений.

Методика изменения технологического процесса рыхления заключалась в регулировании деформации почвы, которое обеспечивалось изменением : величины эксцентриситета направляющего устройства рабочего органа. Исследования проводились на почвах разной характеристики. Последовательность и условия проведения экспериментов описаны в соответствующих разделах.

В задачу полевых испытаний входило сравнительная оценка технологического процесса осуществляемого роторным рыхлителем и пахотным агрегатом на базе трактора ДТ-75.

Исследования проводили на различных типах почв, в частности на легкосуглинистых, средне- и тяжелосуглинистых. Они позволили выявить эффективность почвообрабатывающей машины в сра-

Внении с пахотным агрегатом.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Испытаниями роторного рыхлителя при параметрах, обеспечивающих отношения ^т- и ^ (рис. 16) равными 0,3...0,4, на почвах твердостью 3..".6 МПа, влажностью 16... 18 % установлено следующее.

Деформация почвы в начале внедрения рабочего органа практически равна объему его внедряемой части, в зоне максимального внедрения деформация увеличивается. Наряду с отрывом рабочий орган осуществляет сжатие и сдвиг верхней части пласта относительно нижнего. В результате этого в верхнем слое появляются поверхности отрыва , трещины, что способствует разрушению на мелкие фракции. В конце зоны максимального внедрения рабочий орган обеспечивает окончательный отрыв нижней и верхней части пласта от основного монолита ( приложение, фот.1 ).

Установлено, что на тяжелосуглинистой почве твердостью 4,4 ...7,5 МПа, влажностью 13,6...14,8$ и твердостью 3,7...6,4 МПа, влажностью 18,8,.,19,6 % деформация сжатия достигает предельной величины в конце зоны максимального внедрения (.фот. 2).

Уменьшение деформации, вместе с ней соотношения ^и путем увеличения эксцентриситета до 58 мм, ведет к рыхлению отрывом пласта ( фот. 3) без существенного крошения почв повышенной твердости. При этом возможен переход к штыкованию. На почвах невысокой влажности и твердости менее 3 МПа обеспечивается эффективное рыхление отрывом пласта (фот. 4 ).

Проведены исследования технологического процесса рыхления на среднесуглинистой почве твердостью 3,..5,2 МПа, влажностью 16...18,8 %. При изменении эксцентриситета.в пределах 42...58 мм и скорости машины от 0,5 до 1,96 м/с получено, что наиболее приемлемой с точки зрения крошения почвы рабочим органом, характера обработки и глубины рыхления является величина эксцентриситета в диапазоне 50,..58 мм. В этом диапазоне, обеспечивающем изменение соотношения и в пределах 0,2...О,4, можно осуществить безотвальное рыхление или частичным перемешиванием верхнего слоя почвы с достижением степени крошения от 40 до 60 % (средней величины при скорости машины около 2 м/с, рис. 4 ). Энергетические показатели рабочего органа имеют наименьшую величину и мало меняются (таблица I).

Таблица I

Энергетические показатели рабочего органа и в целом рыхлителя в зависимости от величины эксцентриситета на черноземе твердостью 2,7...4,3 МПа, влажностью 15,Ь...17,0% ( Уп = 0,5м/су

Измеряемые j-параметры ¡

Величина эксцентриситета, мм

58 ! 54 ! 50 ! 46 ! 42

1,08 1,04 1,06 1,14 1,22

0,116 0,130 0,148 0,171 0,188

5,35 . 5,3 5,4 5,70 5,81

Pot. ток M в тих ,кНм M , кНм

При величине эксцентриситета равной 46 мм и менее получен рост этих показателей, а с ним момента con -ротивления машины. Объясняется это тем, что рабочие органы не всегда отрывали нижние слои почвы от монолита. В связи с этим глубина рыхления снижалась до 16 см (рис. 4).

• Снижение глубины рыхления, вплоть ДО' штыкования с частичным рыхлением почвы, получено при Si = 58 мм и скорости машины0,5 м/с.

Во всех случаях основная масса мелких фракций взрыхленной почвы получена в верхнем слое глубиной 10 ...12 см, что объясняется достижением деформации сжатия предельной величины около открытой

60 40 20

12

16

20

А,

... ?, -

___ "'л —_Г<! i \

> ^ ^ ^___ у1 > ^

5 4 51 } 4! 3 ¿з, с

- А

си

Рие„4. Агротехнические показатели рабочего органа при рыхлении почвы твердостью 3,0...5,2 МПа, влажностью 16... 18,8»: А - пределы изменения глубины рыхления;—я— и —&— -средняя глубина рыхления при скорости машины 0,5 и 1,87...1,96 м/с; 1,2 -степень крошения почвы при тех же скоростях ; 3,4 - содержание мелких фракций верхнего слоя на глубину 10...12 см

поверхности и более высокими скоростями рабочего органа на вы -ходе из почвы.

Подтверждена закономерность изменения в функции У составляющих момента сопротивления, полученных на почвах разной характеристики. Особенность выполнения технологического про -цесса рыхления почвы предопределяет (таблица 2):;

малую величину суммарного момента сопротивления от горизонтальных составляющих сил, действующих на рабочие органы и остов ротора, при значительном сопротивлении г.очвы отрыву и сжатию пласта (колонка 3 и 5) ;

зависимость энергетических показателей технологического процесса в основном от вертикальных составляющих сил, действующих на рабочие органы ;

существенные потери энергии на перекатывание остова ротора в результате недоиспользования движущей силы, создаваемой рабочими органами (колонка 7).

В этих условиях удельные затраты энергии на рыхление почвы рабочими органами ( ) изменялись в пределах 69,5... 72 кДж/м3. В результате потерь на перекатывание остова ротора и в приводе затраты анергии возросли до 107,5...118,5 кДж/м3,

Таблица 2

Составляющие момента сопротивления машины и энергоемкость рахления почвы разной характеристики

ск^ость!-,-На рыхление почвы-¡На на- ! Е, | Е

маХ' Н». 1

I I

1,95

П 2,0

Ш 1.9

I

1,84

Исследования показали,что недоиспользованная двинущая сила, создаваемая рабочими органами, составляет не менее 5 кН на 0,9 м захвата рыхлителя. На некоторых почвах она повышается цо 7,1...7,8 кН.

2 ! 3 ! 4 ! 5 ! 6 ! 7 ! 8 ! 9

1,70 1,20 0,83 -0,9 2,83 2,27 59,5 107,5

1,91 1,31 0,90 -0,92 3,26 2,09 67,7 109

2,04 1,80 1,10 -1,68 3,36 2,37 70,6 118,5

2,08 1,65 1,0 -1,36 3,37 2,26 72 НО

Результаты сравнительных испытаний технологического про -цесса,выполняемого роторным рыхлителем и пахотным агрегатом на базе трактора ДТ - 75, показали следующее. -

На легкосуглинистой почве показатели по крошению мало отличаются . Энергоемкость рыхления рабочим органом роторной машины составила 55,5 кДж/м3, в целом машины - 98 кДж/м3, пахотного агрегата - 90 кЦж/м3. На средне - и тяасалосугл инистом черноземе затраты энергии рабочего органа соответственно составили 66,5 и 75 кДж/м3 , машины - 108 и 120 кДж/м3, пахотного агрегата -132 и 165 кДж/м3. На этих участках рабочий орган малины обеспечивал лучше крошение почвы,чем плуг, при менее интенсивном росте затрат энергии с повышением ее твердости.

. В пятой глава дана оценка технологического процесса рыхления с точки зрения взаимодействия рабочего органа с почвой, начиная от зоны внедрения и до выхода из почвы.. Дана оценка машины, обеспечивающей более совершенный технологический про -цесс рыхления почвы, с точки зрения ее плавного хода связанного с малым изменением в функции ¥ суммарного момента сопротивления, приведенного от рабочего органа к остову ротора,а так жэ избыточной движущей силы в условиях'снижения в 4...6 раз ско -рости рабочего органа в зоне максимального внедрения относи -тельно скорости малины. В условиях снижения скорости рабочего • органа, малой деформации почвы обеспечивается менее интенсивный рост удельных затрат энергии с повышением скорости машины и твердости почвн в отличие от существующих почвообрабатывающих агрегатов на базе тяговых машин.

Приведены исследования с использованием экспериментальных данных и литературных источников, на основании которых предаю -жены пути эффективного использования роторного рыхлителя в качестве двшштеля - рыхлителя, обеспечивающего существенной сужение затрат энергии на рыхление почвы.

Используя классификацию почв по удельному сопротивлении плуга, определены уделыше затраты энергии пахотного агрегата на базе колесного и гусеничного тракторов при тяговом КПД в зоне максимума, а такке комбинированного агрегата,включающего дополнительно ЩТ - 7 и БИТ - 3 при известных значениях их тя -гового сопротивления на I м захвата ( рис. 5 ).

Учитывая,что между твердостыз почвы и удельным еа сопро -тивлением при аахогв связь прямоггропорцяональна проведено сов-

мешение расчетных и экспериментальных данных. Они показали,что фактические затраты энергии пахотного агрегата выше расчетных, что вызвано меньшими значениями тягового КПД трактора при исследованиях в полевых условиях. Затраты ее комбинированными почвообрабатывающими агрегатами на базе пахотного изменяются в зависимости от твердости почвы в пределах 160...280 кДк/м3 и значительно превышают затраты роторной машины.

Особенно выгодно отличается выполнение технологического процесса рыхления роторной машиной при использовании ее одно -временно в качестве тяговой. В случае,когда рабочий орган дви-глтеля-рыхлнгеля хорошо крошит почву,использование избыточной двикущей силы на внесение удобрений,посев и выполнение других технологических операций при моменте сопротивления качении М = const ведет к существенному снижению затрат энергии на рыхление (рио.5 ),что следует из * '

где Л - работа рабочих ор -ганов,выполняющих другие технологические операции на единице пути.

В условиях,когда рабочий орган машины не обеспечивает качественного крошения и движущую силу необхо- • двмо использовать на дора -ботку почвы другими рабочими органами затраты энергии на рыхление сохраняются.Возмогло выполнение комплекс-

Рис. 5. Удельные энергозатраты почвообрабатывающих орудий

и агрегатов: I - лемешный плуг; 2 - ЩТ-7; 3 - БИГ-3 ; 4,5-пахотныа агрегаты соответственно на базе гусеничного и колес -ного тракторов при 'гт в -зоне максимума; 6 - комбинированный агрегат, включающий плуг, ДДТ-7 в ЕИГ-3 при ¡¡г в зоне максимума; 7 - пахотный агрегат на базе трактора ДТ - 75 при iT < ir пых» ^ - движитель - рыхлитель ; 9 - движитель - рых -литель в комбинированном агрегате.

ных операций. В этом случае обеспечивается частичное снижение затрат энергии на рыхление почвы.

Из представленных данных следует,что независимо от твердости почвы рыхление рабочим органом машины с использованием избыточной движущей силы, создаваемой им, на доработку почвы или выполнение других технологических операций позволяет не менее чем в два раза снизить затраты энергии на рыхление почвы в сравнении с комбинированными почвообрабатывающими аг -регатами на базе существующих тяговых машин.

Принимая во внимание многообразие агрегатов для подготовки почвы и дифференцированный подход к ее обработке, выявлена ожидаемая экономическая эффективность машины на примере сравнения с пахотным агрегатом. Установлено,что экономия топлива на срвднесуглинистой почве составляет около 30 %. При использовании рыхлителя на тяжелых почвах в комбинированном агрегате экономический эффект существенно возрастает согласно данным , представленным: выше ( рис. 5 ) .

Выполнение рыхления почвы почвообрабатывающей машиной способствует повышению культуры земледелия.

ВЫВОДЫ

1. Технологический процесс рыхления почвы,основанный на принципа взаимодействия с ней управляемых зацепов колеса-ротора, обеспечивающем достижение в равной мере предельной деформации отрыва и сжатия со сдвигом пласта путем смещения мгновенного центра вращения рабочего органа в почву, удовлетворяет требо -ваниям земледелия оо окультуриванию пахотного слоя на глубину до 22 см. В этом случае имеем рыхление при малой деформации почвы и скорости взаимодействия с ней рабочего органа менее скорости перемещения машины.

2. Предельная деформация отрыва и сжатия со сдвигом пласта толщиной 14...15 см достигается соотношением и , т.е. отношением величины деформации отрыва и сжатия пласта к максимальной длине плеча рабочего органа,осуществляющем заданную деформацию, равным 0,3...0,4.

3. Перечисленным характеристикам удовлетворяют параметры роторного рыхлителя ( в мм ) : = 290...300 - радиус остова ротора, /- = 250 - радиус окружности, на которой установлены оси качания рабочих органов, //> = 260...265 - длина рабочего органа, л = 12 ед - количество держателей. Этим характеристикам и требованиям компактности удовлетворяет параметры надрав-

?ч

лявдего устройства рабочего органа ( в мгл ) : £/ = 75 - криво -шипа, [г = 235 - шатуна^ (г = 50 - эксцентриситета, $ =1,80 рад - угол между кривошипом и рабочим органом.

4. Качественные показатели по крошению улучшаются с повы -шением скорости машины при незначительном росте энергетических показателей рабочего органа. При этом несколько .изменяется характер обработки почвы : осуществляется переход от безотваль -ного рыхления к частичному перемешиванию верхнего слоя. Путем уменьшения соотношения -у? и до 0,2...О,'25 увеличением эксцентриситета до 58 мм" имеется возможность сохранить безотвальное рыхление с некоторым снижением' степени крошеная.

5. При технологическом процессе,получаемом в диапазоне изменения эксцентриситета 50..,58 мм, обеспечивается:

степень крошения средаесуглинистой дочвы повышенной твер -дости в пределах 42...62 % ;

рыхление с сохранением стерни на поверхности поля или с частичным перемешиванием верхнего слоя почвы.

6. Разработанная методика определения энергетической оценки технологического процесса позволила выявить :

перемещение элементов рабочего органа по траекториям параболического и другого видов вызывает распределение нагрузок вдоль его наиболее нагруженных плоскостей с отклонением от линейной зависимости, что ведет к менее интенсивному росту результирую-щих'лсил с повышением твердости почвы ;

определяющим по величине в зоне У7 = 0,52...1,31 рад явля-'. ется момент от вертикальных составляющих сил.действующих на рабочий орган, в зоне его максимального внедрения - момент от горизонтальных составляющих сил ; наименьшую величину имеет при -веденный момент со стороны рабочего органа к остову ротора;

энергоемкость технологического процесса рыхления с повыше -нием твердости почвы растет с малой интенсивностью - в пределах 55 ... 75 кДж/м3.

7. Более совершенный технологический процесс рыхления почвы, осуществляемый рабочими органами рыхлителя,выгодно отличается с точки зрения значительного снижения скорости взаимодействия их

с почвой, создания большой величины избыточной движущей силы на единицу захвата машины,что позволяет исключить воздействие .движителей тягово - энергетического средства на почву,создать на его основе самоходную почвообрабатывающую машину либо комбинированный агрегат.

8. Экономия топлива на средносуглинистых почвах в сравне -нии о пахотным агрегатом составляет около 30 %. Использование рыхлителя iia тяжелих почвах в комбинированном почвообрабатывающем агрегате с . ЕДТ - 7 и БИТ - 3 позволяет повысить его эффективность не менее чем в два раза.

9. Рыхление почвы самоходной роторной машиной без воздей -ствия движителей тягово-энергетического средства на почву наиболее приемлемо с точки зрения улучшения культуры земледелия.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Взаимодействие рабочих органов роторного движителя -рыхлителя о почвой и его анализ // Сб.научн.тр./ Воронен. СХН. 1976. Т. 75. С. 142 - 152 .

2. Обоснование параметров движителя - рыхлителя // Мех. и электр. соц.сел. хоз-ва. 1979, $ 3. С.13 - 15 .

3. К вопросу о силах и моментах.действующих на роторный движитель-рыхлитель //Сб. научн.тр. /.Воронеж. СЛ1.1ЭВ0. Т.109. С. 140-147. Соавтор Сулимин И.П.

4. О некоторых особенностях рыхления почвы роторным движителем - рыхлителем // Сб. научн.тр. / Воронеж. СХИ.I960. Т.109. С. I56-I6I.

5. Удельные энергозатраты движителя-рыхлителя // Мах.и электр.сол.хоз-ва.1981. № 3. С.20-22.Соавтор Сулимин И.Я.

6. Нагрузки,действующие на рабочий орган движиталя-рнхли -толя // Мех. и электр.сел.хоз-ва.1984. J6 5. С. 19-22.

7. Энергозатраты движителя - рыхлителя в комбинированном агрегате. - В кн.: Пути улучшения технико- эксплуатационных качеств сельскохозяйственных тракторов // Сб.научн.тр./Воронеж. СХИ. 1984. С. 160- 167. Соавтор Сулимин И.II.

8. Почвообрабатывающее орудие. Л.С. СССР, ft II69550, Опубл. в Б.И. 1985. Л 28. Соавторы Сулимин И.П..Мясоедов С.Ф.

9. Почвообрабатывающее орудие. Патент Российской Федерации

№ 1579474. Спуйл. в Б.И. 1990. й 27. Соавторы Размыслович И.Р., Сулимин И.П., Пушкарев Н.И. ..

10. Совершенствование технологического процесса рыхления почвы // Техн. в сел. хоз-ве. 1992. И 2-3. С. 27- 29.

11. Повышение эффективности почвообрабатывамией машины на базе движителя-рыхлителя. Научные аспекты формирования интеллектуальной собственности специалистов АПК России // Сб.научи.