АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ДИСКОВОЙ БОРОНЫ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.313.6

Анализ факторов, влияющих на коэффициент полезного действия дисковой бороны

Е.В. Припоров, канд. техн. наук; А.Б. Шепелев, канд. техн. наук

ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ

Дисковые бороны с рядным расположением сферических дисков на индивидуальной оси находят широкое применение в ресурсосберегающих технологиях подготовки почвы под посев зерновых после пропашных культур. Рабочие органы дисковых борон не забиваются растительными остатками и почвой. Важный показатель дисковой бороны - коэффициент полезного действия. Цель исследования - определить факторы, влияющие на коэффициент полезного действия дисковой бороны с установкой диска на индивидуальной оси. Установлено, что тяговое сопротивление дисковой бороны зависит от конструктивных и технологических параметров сферического диска и скорости движения агрегата. Эксплуатационный вес дисковой бороны устанавливается в зависимости от числа дисков и требуемой нагрузки для сохранения необходимой глубины обработки. Доказано, что коэффициент полезного действия дисковой бороны не зависит от конструктивных и технологических параметров установки сферического диска на раме. Установлено влияние удельного тягового сопротивления почвы, нагрузки на диск, глубины обработки на коэффициент полезного действия дисковой бороны. Увеличение коэффициента полезного действия дисковой бороны достигается за счёт увеличения полезных затрат на работу сферического диска и снижения нагрузки на диск.

Ключевые слова: дисковая борона, коэффициент полезного действия, эксплуатационный вес, затраты положительные, вредные затраты.

Авторами предложена методика комплектования тягового агрегата на базе современных тракторов [1]. Разработана конструкция дозатора центробежного аппарата, которая позволяет снизить отражение частиц от рабочих органов рассеивающего диска и повысить равномерность поверхностного распределения удобрений [2, 3]. При согласовании рабочей ширины захвата опрыскивателей и распределителей минеральных удобрений для проведения цикла работ весенне-летнего периода имеются определённые сложности [4].

В ресурсосберегающих технологиях подготовки почвы под посев зерновых после пропашных культур находят широкое применение дисковые бороны с рядной установкой сферических дисков на индивидуальной стойке. Качество обработки почвы этими орудиями отвечает исходным требованиям к почвообрабатывающим машинам, в числе которых полное подрезание растений, измельчение комков почвы до требуемого размера фракции. В зависимости от числа параллельно установленных рядов на раме различают двухрядные, трёхрядные и четырёхрядные дисковые бороны. Двухрядные и трёхрядные дисковые бороны используют для обработки почвы после сахарной свёклы и многолетних трав, четырёхрядные - для обработки почвы после крупностебельных пропашных культур (кукуруза и подсолнечник). Установлено, что двухрядное расположение сферических дисков из-за большого расстояния между соседними дисками в ряду создаёт необработанные полосы в междисковом пространстве [5].

При проведении предпосевной культивации для посева зерновых за два прохода эти дисковые орудия обеспечивают измельчение почвы в соответствии с требованиями ГОСТа 26244 - 84

«Обработка почвы предпосевная. Требования к качеству и методы определения». Четырёхрядные дисковые бороны обеспечивают качественную обработку крупностебельных пропашных культур. За два прохода дисковой бороны степень измельчения пожнивных остатков крупностебельных пропашных культур составляет более 50 %, что соответствует требованиям.

Для выполнения технологической операции рабочей машиной требуются определённые затраты механической энергии. Доля полезных затрат энергии оценивается коэффициентом полезного действия. Величина этого коэффициента находится в интервале от 0,2 до 0,8 [6]. Обзор литературных источников свидетельствует, что отсутствует расчётная формула по определению коэффициента полезного действия дисковой бороны с параллельным расположением сферических дисков.

Цель исследования - определить факторы, влияющие на коэффициент полезного действия дисковой бороны с установкой диска на индивидуальной оси.

Материал и методы исследования. Известно, что тяговое сопротивление дисковой бороны описывается рациональной формулой В.П. Горячкина для плуга [7]. Величина тягового сопротивления применительно к дисковой бороне с общим числом дисков п, каждый из которых установлен на индивидуальной оси, имеет вид: R = fG + ЫЬП + гabnv2, (1)

где Я - тяговое сопротивление дисковой бороны, кН;

О - эксплуатационный вес машины, кН; а - глубина обработки, м; Ь - ширина захвата сферического диска, м; п - общее число дисков, шт.; е - величина, характеризующая затраты

энергии на отбрасывание пласта, кН-с2/м4, для плуга 0,15 - 0,2 кН-с2/м4 [7]. Величина тягового сопротивления дисковой бороны включает затраты энергии на перекатывание и затраты на технологический процесс обработки почвы, крошение почвы и отбрасывание с наружной поверхности сферического диска.

Ширина захвата единичного сферического диска определяется по известной формуле [8]:

b = 2sin a cos a(D cos P- a), (2)

где a - угол установки диска к направлению движения агрегата, град.; в - угол наклона диска в вертикальной плоскости, град.; a - глубина обработки, м; D - диаметр сферического диска, м. От величины угла установки диска к направлению движения агрегата зависит глубина обработки.

С учётом выражения 2 тяговое сопротивление дисковой бороны составит: R = fG + 2an sin a cos cos p- a)(k + sv2). (3) Результаты исследования. Важный параметр дисковой бороны - нагрузка на диск, величина которой определяет способность диска поддерживать установленную глубину обработки. Величина этого параметра определяет долю эксплуатационного веса дисковой бороны, который приходится на сферический диск во время выполнения технологической операции. Нагрузка на диск, очевидно, составляет:

Рд = -, (4)

n

где Рд - нагрузка на диск, кН.

Выполненный анализ этого параметра отечественных дисковых борон свидетельствует, что при ширине захвата до 3 м включительно нагрузка на диск не превышает 0,6 кН, а при ширине захвата до 8 м достигает 1,4 кН [9]. В зарубежных конструкциях дисковых борон нагрузка на диск не превышает 0,7 кН [9].

Увеличение нагрузки на диск достигается за счёт установки балластных грузов на раму. Эксплуатационный вес дисковой бороны исходя из требуемой нагрузки на сферический диск составляет:

G = Рд п. (5)

Тяговое сопротивление дисковой бороны с учётом выражения (5) составит:

R = /Рдп + 2an sin a cos Рд/a(D cos P — a)(k + sv2). (6) Коэффициент полезного действия машины, как известно, представляет долю полезной работы от общей работы на выполнение технологической операции. В дисковой бороне вредные затраты -эксплуатационный вес машины, который зависит от расхода металла на изготовление машины. Полезная работа совершается сферическим

диском в процессе подрезания, крошения и отбрасывания пласта. Вредное сопротивление, при котором не совершается работа, - перемещение рабочей машины, имеющей определённый эксплуатационный вес. Увеличение массы металла в конструкции дисковой бороны увеличивает и величину затрат на перекатывание рабочей машины. Отличительной особенностью дисковых борон от других почвообрабатывающих орудий является то, что вес машины расходуется на создание нагрузки на сферический диск. Величина этой нагрузки во время движения агрегата обеспечивает поддержание требуемой глубины обработки, величина которой зависит от угла установки диска к направлению движения.

Величину коэффициента полезного действия дисковой бороны представляет отношение:

R

тп

R '

где Rra - сила тяги бороны на совершение технологического процесса, кН. По аналогии с коэффициентом полезного действия плуга по В.П. Горячкину [7] для дисковой бороны величина этого коэффициента составит:

2a(k + sv2 )n sin a cos Рд/a(D cos p — a)

П =

fРдп + 2a(k + sv2 )n sin a cos Рд/a(D cos p — a)

(7)

На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки на диск.

Ü IE 5 0)

з i

0,850 0,800 0,750 0,700 0,650 0,600 0,550 0,500 0,450

1

2

0,6 0,8 I 1,2 1,4 1,6

Нагрузка на дис к, кН

Рис. 1 - Зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки на диск:

1 - глубина обработки 0,12 м; 2 - глубина обработки 0,06 м; исходные данные при построении графика: коэффициент сопротивления на перекатывание по стерне 0,2; угол установки диска к направлению движения 20°; угол наклона диска в вертикальной плоскости 10°; удельное тяговое сопротивление почвы 40 кПа; затраты энергии на отбрасывание почвы 0,4 кН-с2/м4; скорость агрегата 3,5 м/с; число дисков 30

Согласно графику по мере увеличения нагрузки на диск увеличивается эксплуатационный вес, при постоянной глубине обработки снижается коэффициент полезного действия машины, что обусловлено возрастанием необходимой силы на перемещение машины. При постоянном значении нагрузки на диск и величине эксплуатационного

веса по мере увеличения глубины обработки от 0,06 до 0,12 м увеличиваются полезные затраты энергии, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия.

Зависимость коэффициента полезного действия от глубины обработки представлена на рисунке 2.

0,900

О 0.В50

О о.воо

(И 0,750

ё с ОС 5 0,700

1- 0,650

д. и

СИ >5 5 й> 0,600

3" о. 5 0,550

-е- 0,500

Г) 0,450

V

0,400

_ -1 2

—1

| — """

0,06 0,0 В 0,1 0,12 0,14 оде Глубина обработки, м

Рис. 2 - Зависимость коэффициента полезного действия дисковой бороны от глубины обработки:

1 - нагрузка на диск 1,2 кН; 2 - нагрузка на диск 0,6 кН; исходные данные при построении графика: коэффициент сопротивления на перекатывание по стерне 0,2; угол установки диска к направлению движения 20°; угол наклона диска в вертикальной плоскости 10°; удельное тяговое сопротивление почвы 40 кПа; затраты энергии на отбрасывание почвы 0,4 кН-с2/м4; скорость агрегата 3,5 м/с; число дисков 30

Анализ графика свидетельствует, что по мере увеличения глубины обработки, при постоянном значении нагрузки на диск и эксплуатационного веса, возрастает сила на подрезание, крошение и отбрасывание пласта сферическим диском. Это приводит к росту коэффициента полезного действия. По мере уменьшения нагрузки на диск

от 1,2 до 0,6 кН и соответственно эксплуатационного веса снижаются затраты энергии на перекатывание, что увеличивает коэффициент полезного действия дисковой бороны.

Зависимость коэффициента полезного действия от удельного тягового сопротивления почвы при разной нагрузке на диск представлена на рисунке 3. При постоянном значении удельного тягового сопротивления почвы остаётся неизменной величина тягового сопротивления. Снижение нагрузки на диск от 1,2 до 0,6 кН приводит к пропорциональному уменьшению эксплуатационного веса и снижению затрат на перемещение металла, заключенного в дисковой бороне. Снижение этой составляющей при неизменной величине затрат на подрезание, крошение и отбрасывание частиц сопровождается увеличением коэффициента полезного действия.

Анализ графика 3 свидетельствует, что при постоянном значении нагрузки на диск и постоянном эксплуатационном весе дисковой бороны по мере увеличения удельного сопротивления почвы пропорционально растёт величина тягового сопротивления на рабочий процесс и возрастает коэффициент полезного действия.

Выводы

- тяговое сопротивление дисковой бороны зависит от конструктивных и технологических параметров сферического диска и скорости движения агрегата;

- эксплуатационный вес дисковой бороны устанавливается в зависимости от числа дисков и требуемой нагрузки для сохранения необходимой глубины обработки;

- коэффициент полезного действия дисковой бороны не зависит от конструктивных и технологических параметров установки сферического диска на раме;

Рис. 3 - Зависимость коэффициента полезного действия от удельного тягового сопротивления почвы:

1 - нагрузка на диск 1,2 кН; 2 - нагрузка на диск 0,6 кН; исходные данные при построении графика: коэффициент сопротивления на перекатывание по стерне 0,2; угол установки диска к направлению движения 20°; угол наклона диска в вертикальной плоскости 10°; глубина обработки 0,12 м; затраты энергии на отбрасывание почвы 0,4 кН-с2/м4; скорость агрегата 3,5 м/с; число дисков 30

- увеличение коэффициента полезного действия дисковой бороны достигается за счёт увеличения полезных затрат на работу сферического диска и снижения нагрузки на диск пропорциональным снижением эксплуатационного веса.

Литература

1. Припоров Е.В., Кудря Д.Н. Обоснование энергосберегающего режима работы машинно-тракторного агрегата // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 47. С. 174 - 176

2. Пат. на изобретение RUS 2177216. Устройство для поверхностного рассева минеральных удобрений и других сыпучих материалов / Якимов Ю.И., Иванов В.П., Припоров Е.В., За-ярский В.П., Волков Г.И., Селивановский О.Б. заяв. 14.03.2000.

3. Припоров Е.В. Центробежный аппарат с подачей материала вдоль лопаток // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 3 (18). С. 243 - 247.

4. Припоров Е.В. Технологическая колея и проблемы её создания // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (64). С. 82 - 84

5. Припоров Е.В. Анализ полноты обработки почвы в междисковом пространстве двухследного дискового орудия // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 1 (75). С. 85 - 88.

6. Зангиев А.А., Шпилько А.В., Левшин А.Г. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: КолосС, 2008. С. 57.

7. Сельскохозяйственные машины. (Теория, конструкция, расчёт): учеб. пособие. 2-е изд. перераб. и доп. / Е.И. Трубилин, В.А. Абликов, Л.П. Соломатина [и др.]. Краснодар: КубГАУ, 2008. С. 44.

8. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М.: Машиностроение, 1983. 48 с.

9. Сохт К.А., Трубилин Е.И., Коновалов В.И. Дисковые бороны и лущильники. Проектирование технологических параметров: учеб. пособие. Краснодар: КубГАУ, 2014. 164 с.

Припоров Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент

Шепелев Анатолий Борисович, кандидат технических наук, доцент

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»

Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Е-mail: epriporov@bk.ru; shepelevab@mail.ru

Analysis of the factors affecting the disc harrow operation efficiency

Priporov Evgeniy Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Shepelev Anatoly Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia Е-mail: epriporov@bk.ru; shepelevab@mail.ru

Disc harrows with in-line arrangement of spherical discs on an individual axle are widely used in resource-saving technologies for soil preparation for sowing grain after row crops. The working bodies of the disc harrows are not clogged with plant residues and soil. An important indicator of the disc harrow is the efficiency. The purpose of the study is to determine the factors influencing the efficiency of the disc harrow with the disc installation on an individual axis. It has been found that the traction resistance of the disc harrow depends on the design and technological parameters of the spherical disc and the speed of the unit. The operating weight of the disc harrow is set depending on the number of discs and the required load to maintain the required working depth. It is proved that the efficiency of the disc harrow does not depend on the design and technological parameters of the installation of the spherical disc on the frame. The influence of the specific traction resistance of the soil, the load on the disc, the depth of processing on the efficiency of the disc harrow has been established. The increase in the efficiency of the disc harrow is achieved by increasing the useful costs for the operation of the spherical disc and reducing the load on the disc.

Key words: disc harrow, efficiency, operating weight, positive costs, harmful costs.

DOI 10.37670/2073-0853-2020-84-4-146-149

-♦-

УДК 631.316.022,62-522.

Схема управления адаптивной подвеской культиваторов

С.Н. Кокошин, канд. техн. наук; А.С. Кизуров, канд. техн. наук; В.И. Ташланов, аспирант

ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

В производстве современных сельскохозяйственных агрегатов предусмотрены системы точного земледелия, которые позволяют повысить производительность и качество процессов. Одной из основополагающих операций, способствующей повышению урожайности, является предпосевная обработка почвы, в процессе которой необходимо не только создать оптимальную структуру почвы, но и ровное посевное ложе на установленной глубине. В работе представлена конструкция культиваторной стойки с автоматическим регулятором жёсткости, выполненным на основе гибкого трубчатого элемента. Представлена схема управления работой данного регулятора на основе применения пропорциональной гидравлики. Для работы в