Алгоритм определения технологических параметров энергоэффективных почвообрабатывающих машин блочно-модульной структуры Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

инновационных программ технологической модернизации в растениеводстве//Сборник научных трудов ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2013. № 84. С. 18-28

6. Попов, В.Д., Максимов Д.А., Морозов Ю.Л. Определение эффективности программ технологической модернизации растениеводства//ж. «Вестник Россельхозакадемии». 2013. № 4. С. 5-7

7. Морозов Ю.Л., Андрианов В.М., Максимов Д.А., Богданов К.В. Разработка адаптивных технологий производства продукции растениеводства. СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ, 2005. 112 с.

8. Морозов Ю.Л., Андрианов В.М. Типовые требования к базовым машинным операциям при использовании их в технологических процессах производства продукции растениеводства. СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ, 2004. 170 с.

9. Морозов Ю.Л. Методика сравнительной оценки эффективности сельскохозяйственной техники с использованием интегрального показателя // Сборник научных трудов ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. 2012. № 83. С. 6-14

10. Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России. М.: ГНУ ВИМ, 2008. 72 с.

УДК 631.372.17

Н.И. ДЖАББОРОВ, д-р техн. наук, профессор; А.В. ДОБРИНОВ, канд. техн. наук, доцент; Д.С. ФЕДЬКИН, канд. техн. наук

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОЕИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРЕОЭФФЕКТИВНЫХ

ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

В статье изложен алгоритм расчета оптимальных значений конструктивных параметров и рациональной схемы компоновки различных

19

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

рабочих органов почвообрабатывающих машин блочно-модульной структуры (БМС). Приведены показатели оценки востребованности разрабатываемых почвообрабатывающих машин.

Ключевые слова: алгоритм, конструктивные параметры, потребная мощность, востребованность, почвообрабатывающая машина, эффективность.

N.I.DZHABBOROY, DSc (Eng); A.Y.DOBRINOY, Cand Sc (Eng); D.S.FED’KIN, Cand Sc (Eng)

ALGORITHM TO DETERMINE TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF ENERGY-EFFICIENT SOIL TILLING MACHINES OF BLOCK-MODULAR STRUCTURE

The paper presents the calculation algorithm of optimal values of design parameters and rational arrangement of working tools of soil tilling machines of block-modular structure. The indexes for assessment of the demand for designed soil tilling machines are quoted.

Keywords, algorithm, design parameter, required power, demand, soil tilling machine, efficiency

В настоящее время сельскохозяйственные машины проектируются по принципу обоснования их потребной мощности для выполнения технологического процесса, а при решении вопросов их агрегатирования, исходят из среднего значения тяговой мощности и тягового класса трактора.

Однако на диапазон изменения потребной мощности почвообрабатывающих машин существенно влияют характеристика агрофона, физико-механические свойства почвы, коэффициент сцепления, коэффициент сопротивления качению и многие другие эксплуатационные факторы.

С учетом этого нами разработан алгоритм, который является основой для разработки компьютерной программы расчета конструктивных параметров рабочих органов и их компоновки в

20

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

почвообрабатывающих машинах блочно-модульной структуры при обосновании рациональной потребной мощности.

Разработанный алгоритм расчета конструктивных параметров рабочих органов и их компоновки в почвообрабатывающих машинах ВМС для предусматривает:

1. Определение востребованности проектируемого рабочего агрегата.

Востребованность, как критерий, должна быть максимальной, чтобы обеспечить экономическую эффективность производства

разработанного рабочего органа в предприятиях по выпуску сельскохозяйственной техники.

При этом следует определить максимальную потребность в проектируемых рабочих органах, при которой экономический эффект от их производства и реализации принимает наибольшее значение.

Оценка востребованности научно-технической продукции (НТП) производится по показателям:

- коэффициент востребованности разработки может быть

рассчитан по формуле:

Кв =^=> оптимум, (1)

где А - актуальность разработки;

С - спрос на разработку.

- коэффициент эффективности разработки можно определить по формуле, путем проведения маркетинговых исследований:

КЭФФ=^1, (2)

где С - спрос на разработку;

п- предложения по разработке.

Оценка востребованности проектируемого агрегата определяется путем проведения маркетинговых исследований.

2. Определение способов и видов обработки почвы.

В зависимости от характеристики агрофона устанавливаются:

21

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

а) - способы обработки почвы (отвальная, безотвальная, минимальная, нулевая).

б) - виды обработки почвы (поверхностная, глубокая, сплошная, междурядная).

3. Подбор наиболее эффективных рабочих органов.

С учетом типа, механического состава и глубины обработки почвы, особенностей технологии возделывания культуры, используя «Базу данных элементно-агрегатных компонентов

почвообрабатывающих агрегатов» [1] производится подбор наиболее эффективных рабочих органов, узлов и деталей. Проектируемый рабочий орган должен обеспечить необходимое качество

технологической операции в соответствии с агротехническими требованиями и Правилами производства механизированных полевых работ [2].

4. Разработка новых рабочих органов.

При необходимости, если типовые и стандартные рабочие органы не могут обеспечить необходимое качество операции, разрабатываются новые рабочие органы.

4.1 Определение предельной ширины захвата рабочего органа.

Предельная ширина захвата одного рабочего органа

почвообрабатывающей машины БМС зависит от формы и конструктивных параметров, механических свойств почвы, скорости движения, глубины обработки и др. Предельная ширина захвата рабочего органа также зависит от показателей качества, вида обработки почвы и устойчивости его работы на заданной глубине, по направлению движения и перпендикулярной к направлению движения плоскости.

4.2 Определение массы рабочего органа.

Масса рабочего органа определяется экспериментально. При разработке новых рабочих органов их массу определяют расчетным методом.

4.3 Определение высоты стойки рабочего органа.

Высота стойки рабочего определяется по формуле:

22

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

Нс — }\ + h2 + ci, (3)

где \ - пространство между поверхностью вспушенной почвы и нижней плоскостью рамы;

h2 - максимальная высота вспушенного слоя почвы, мм; а - заданная максимальная глубина обработки, мм.

В процессе работы почвообрабатывающей машины надежная пропускная способность почвы и растительных остатков в пространстве между поверхностью вспушенной почвы и нижней плоскостью рамы осуществляется при \ = 250 - ЗООл/л/.

4.4 Определение предела рабочих скоростей рабочего органа для обеспечения качества технологического процесса.

В Правилах производства механизированных полевых работ [2] для каждого технологического процесса приведены агротехнически допустимые пределы рабочих скоростей МТА.

При разработке новых почвообрабатывающих машин ВМС со стандартными и новыми рабочими органами в связи с рациональной их компоновкой, необходимо учитывать условия совместного функционирования различных рабочих органов, с целью обеспечения необходимого качества работы.

При этом, пределы рабочих скоростей почвообрабатывающей машины ВМС ограничиваются:

- свойствами двигателей тракторов.

- свойствами обрабатываемого материала (почвы);

- качеством материала, из которого изготавливаются рабочие органы и другие элементы конструкции машины.

- неравномерностью изменения нагрузки и других показателей оценки работы почвообрабатывающей машины ВМС;

- сложной динамикой движения почвообрабатывающей машины на повышенных скоростях.

4.5 Определение тягового сопротивления рабочего органа в установленных пределах рабочих скоростей.

23

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

Тяговое сопротивление рабочего органа можно определить экспериментальным или расчетным методами.

Предельная величина нагрузки на рабочий орган определяется при его расчете на прочность. При этом определяют максимально возможную нагрузку, которая может образоваться при встрече с препятствием (камень, пень и т.д.).

4.6 Определение потребной мощности для эффективной работы энергетического модуля в расчете на один проектируемый рабочий орган.

Потребная мощность ЛТ° для работы одного отдельно взятого рабочего органа можно определить по формуле:

K°=R?°-VP, кВт (4)

где R™ - тяговое сопротивление рабочего органа, кН;

Vp - скорость движения рабочего органа, м/с.

Необходимо отметить, что в зависимости от характеристики почв и агрофона, параметры /^РО и Vp представляют собой случайные величины и колеблются в широких пределах.

4.7 Обоснование рациональной схемы расстановки и компоновки рабочих органов.

Рациональная схема расстановки и компоновки рабочих органов обосновывается с учетом обеспечения агротехнических показателей оценки качества процесса, оптимальной загрузки двигателя в определенном диапазоне изменения рабочих скоростей, простоты и удобства ТО, устранения технических и технологических отказов в процессе выполнения полевых работ и сервисного обслуживания.

При обосновании рациональной схемы расстановки и компоновки рабочих органов необходимо учитывать условие равновесия почвообрабатывающей машины. Условие равновесия машин обеспечивается при соблюдении соотношения массы почвообрабатывающей машины, потребной мощности для ее эффективной работы, рабочей скорости ее движения.

24

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

Соотношение массы почвообрабатывающей машины БМС, потребной мощности для ее эффективной работы, рабочей скорости движения в принципе должно подчиняться соотношению [3]:

m ly 9

(5)

где Nn - потребная мощность почвообрабатывающей машины БМС, кВт;

т - масса почвообрабатывающей машины БМС, кН;

Vp - рабочая скорость почвообрабатывающей машины БМС,

м/с;

1у = \lv - условная длина и V - объем почвообрабатывающей

машины БМС;

V = iy-b-h - объем машины;

1у, Ъ , h - соответственно, конструктивная длина, ширина и высота почвообрабатывающей машины.

Общие вопросы комплектования комбинированных почвообрабатывающих и посевных агрегатов и комплексов более подробно рассмотрены в работе [4].

Технологически рациональным следует считать такое сочетание рабочих органов в комбинированной машине и машин в комплексе, при котором обеспечиваются следующие условия [4]:

;=1

т

STY \то ] ^ S.i

1

mm

1

п —» mm

(6)

где тт - среднее значение плотности почвы для типичных условий зоны до начала обработок;

[т3]~ требуемое значение плотности почвы перед посевом;

2=1

суммарный, накопленный технологический эффект

1

почвообрабатывающих машин, рыхлящих и уплотняющих.

25

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

ЕЛ т3, = ^5.диск + ^^8. культ ^^8.зуб * * * ? (7)

1

где Ьт5 диск, Ьт5 культ, Атд зуб - изменение среднего значения

плотности почвы за один проход дисковой бороной, культиватором, зубовой бороной и т.д.

При обосновании схемы расстановки и компоновки рабочих органов почвообрабатывающей машины также следует учитывать условия сохранения допускаемых отклонений показателей качества процесса.

Рациональная схема расстановки и компоновки рабочих органов должна отвечать следующим критериям: максимум КПД трактора, минимум энергоемкости технологического процесса, максимум коэффициента энергоэффективности почвообрабатывающей машины в агрегате с трактором и высокое качество технологической операции.

При обосновании рациональной схемы расстановки и компоновки рабочих органов в комбинированных почвообрабатывающих машинах ВМС предусматривается применение набора рабочих органов для одновременного выполнения тех операций, которые могут быть совмещены во времени без нарушения агротребований.

5 Определение массы почвообрабатывающей машины ВМС с учетом компоновки и расстановки рабочих органов.

Установив предельные значения ширины захвата агрегата [7,8] определяют массу машины по формуле [5]:

м„ = bqM, (8)

где Цм - удельная металлоемкость машины на 1 м ширины ее захвата, кг /м;

Ъ - ширина захвата машины.

26

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

6 Определение предела рабочих скоростей почвообрабатывающей машины БМС с учетом компоновки и расстановки рабочих органов.

В соответствии с агротехническими требованиями и Правилами производства механизированных полевых работ [2] каждый агротехнический прием в технологии возделывания сельскохозяйственных культур выполнятся с определенным качеством.

В почвообрабатывающих машинах БМС используются несколько блоков однотипных рабочих органов. С учетом того, что каждому блоку однотипных рабочих органов, для обеспечения качества работы, соответствует определенный предел рабочих скоростей, пределы рабочих скоростей почвообрабатывающей машины должны определяться в зависимости от количества блоков рабочих органов и соответствующими им скоростями.

Если в машине применяется N-oe количество блоков, соответствующее каждому блоку рабочих органов при определенных рабочих скоростях Vi? то пределы рабочих скоростей почвообрабатывающей машины БМС можно определить по формуле:

V1 + С+г3+... + гп

N

?

(9)

где N - количество блоков однотипных рабочих органов в почвообрабатывающей машине;

С, v2...vn - пределы рабочих скоростей соответствующих блоков однотипных рабочих органов.

7 Определение тягового сопротивления почвообрабатывающей машины с учетом компоновки и расстановки рабочих органов.

Тяговое сопротивление машины определяется по формуле[5]:

RM=kbK±Gm(i/\00X (10)

где к - удельное тяговое сопротивление, приходящееся на единицу ширины захвата, кН/м;

ЬК - конструктивная ширина захвата машины, м;

27

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

Gm — масса машины, кН; /-уклон местности %;

(знак «плюс» ставится при движении на подъем, а «минус» -под уклон).

Тяговое сопротивление простого агрегата подсчитывается по формуле [5]:

Д, = "Л + ^, =«^4 ±«„<7ЛС>0)1 (И)

где пт- число машин в агрегате;

Rm - тяговое сопротивление машины, кН;

RC4 - сопротивление сцепки, кН.

Тяговое сопротивление тягово-приводного агрегата

определяется по формуле [5]:

Ra=RM+Rnp, (12)

где япр - приведенное тяговое сопротивление машины, кН.

Для машин, работающих с приводом от ВОМ трактора, подсчитывают дополнительное тяговое сопротивление, численно равное потере касательной силы тяги трактора из-за передачи части мощности двигателя на привод рабочих органов машины [5]:

Rnp-iZKoJTK^X (13)

где NeoM- мощность на привод рабочих органов машин, передаваемая через ВОМ трактора, кВт;

iT - передаточное число трансмиссии трактора на выбранной

передаче;

rk - радиус качения ведущего колеса трактора, м; пн— частота вращения коленчатого вала двигателя, мин1;

8 - размерный коэффициент для средних значений

механических КПД трансмиссии и привода на ВОМ трактора.

28

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

8 Определение среднего значения потребной мощности почвообрабатывающей машины БМС с учетом компоновки и расстановки рабочих органов.

Среднее значение потребной мощности nu, необходимой для нормального функционирования почвообрабатывающей машины БМС в составе МТА, определяется по формуле:

^П=яа-Бр, (14)

где Rа - среднее значение тягового сопротивления

почвообрабатывающей машины, кН;

Vp - среднее значение скорости движения почвообрабатывающей машины, м/с.

9 Определение рациональных пределов изменения потребной мощности для эффективного функционирования почвообрабатывающей машины БМС.

Диапазон номинальных тяговых усилий тракторов и потребной мощности почвообрабатывающих машин колеблется в широких пределах.

Широкий диапазон изменения номинальных тяговых усилий тракторов и потребной мощности почвообрабатывающих машин объясняется тем, что они имеют различную массу, тягово-мощностные и сцепные свойства, характеристики ходовых систем и т.д.

При обосновании потребной мощности почвообрабатывающих машин необходимо учитывать их динамические свойства. В конечном итоге потребная мощность почвообрабатывающей машины должна обеспечивать высокий КПД трактора.

Для оценки динамических характеристик

почвообрабатывающей машины помимо известных показателей можно использовать новый параметр - удельная потребная мощность технологического модуля yN :

Ум =N„!M,

П ‘

1ТМ;

(15)

29

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

где Nn- потребная мощность почвообрабатывающей машины БМС, кВт;

мТМ - масса почвообрабатывающей машины, кН.

Для оценки динамических характеристик

почвообрабатывающей машины важен другой показатель - ее динамический фактор д.ш, который можно определить из выражения:

ДтМ=^а1МТм? (16)

где Ra - среднее значение тягового сопротивления почвообрабатывающей машины, кН;

Мтм - масса почвообрабатывающей машины, кН.

Используя вышеприведенные показатели yNn и дтм необходимо

определить рациональные пределы изменения потребной мощности для эффективного функционирования почвообрабатывающей машины.

На рисунке 1 представлена блок-схема алгоритма расчета конструктивных параметров рабочих органов и их компоновки в почвообрабатывающих машинах блочно-модульной структуры для обоснования рациональной потребной мощности.

Алгоритм является основой для разработки компьютерной программы по расчету оптимальных значений конструктивных параметров и рациональной схемы компоновки различных рабочих органов почвообрабатывающих машин блочно-модульной структуры с учетом рациональной потребной мощности.

30

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства

2

3

U

5

6

7

в

9

Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета конструктивных параметров рабочих органов и их компоновки в почвообрабатывающих машинах блочно-модульной структуры для обоснования рациональной потребной мощности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Е База данных элементно-агрегатных компонентов почвообрабатывающих агрегатов. //Добринов А.В., Джабборов Н.И., Дементьев А.М., Ромачевская В.В. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2008620438, ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2008.

2. Правила производства механизированных работ в полеводстве. //Сост. Орманджи К.С., 2-е изд., переработанное и доп. М: Россельхозиздат, 1983. 285 с.

31

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.

3. В.П. Горячкин. Собрание сочинений. В трех томах. Изд-во «Колос». М.: 1968. 720 с.

4. Давидсон Е.И. Повышение технологической эффективности комплекса почвообрабатывающих, посевных и комбинированных машин для возделывания овощей совершенствованием и рациональным сочетанием их рабочих органов: автореф. дисс. док. техн. наук: 05.20.01 / Давидсон Евгений Иосифович. Ленинград-Пушкин, 1989. 36 с.

5 Синеоков Е.Н, Панов А.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. 328 с.

6 Дементьев А.М. Обеспечение энергосбережения в технологических процессах обработки почвы путем оптимального проектирования комбинированных агрегатов блочно-модульной структуры. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Еосударственное научное учреждение СевероЗападный научно-исследовательскии институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук. Санкт-Петербург, 2011. 172 с.

7. Методика расчета конструктивных параметров и прогнозирования эксплуатационных показателей новых многооперационных агрегатов для обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур // Добринов А.В., Джабборов Н.И., Дементьев А.М. ЕНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. Отчет о НИР за 2009 г. 138 с.

32