Обоснование кинематических параметров тягово-приводного почвообрабатывающего орудия

Савельев Юрий Александрович; Петров Александр Михайлович; Ишкин Павел Александрович; Петров Михаил Александрович; Авдеев Дмитрий Алексеевич

Information about the authors

Cherkasov Roman Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, lecturer of the Mathematics and informatics department, Moscow University of the Ministry of Internal Affairs of Russia named after V.Ya Kikotya (Moscow, Russian Federation). Phone: +7-951-828-61-27. E-mail: [email protected].

Adigamov Kasyan Abdurakhmanovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Technical systems of housing and communal services department, Institute of Service and Entrepreneurship - branch of the Don State Technical University in Shakhty (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-999-698-17-69. E-mail: [email protected].

Ashnin Alexander Alexandrovich - master student, Institute of Service and Entrepreneurship - branch of the Don State Technical University in Shakhty (Rostov region, Russian Federation).

Nikishin Vladislav Viktorovich - master student, Institute of Service and Entrepreneurship - branch of the Don State Technical University in Shakhty (Rostov region, Russian Federation).

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

УДК 631.319.07

ОБОСНОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВО-ПРИВОДНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ

Главной задачей в ранневесенний период является создание условий для сохранения в почве осенне-зимней влаги. Эта задача решается проведением ранневесенней поверхностной обработки почвы с целью создания покрывающего мульчирующего слоя, обеспечивающего сокращение непродуктивных потерь влаги на испарение. Однако ранний выход техники в поле для ранневесенней поверхностной обработки сдерживает низкая несущая способность влажной почвы, так как для перемещения почвообрабатывающего агрегата по полю необходимо создавать высокое тягово-сцепное усилие трактора, которое должно превышать тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины. В этом случае перспективным является применение тягово-приводных орудий, имеющих низкое тяговое сопротивление и требующих для своей работы гораздо меньший тягово-сцепной вес агрегатирующего трактора. Для этого разработано тяго-во-приводное почвообрабатывающее орудие, имеющее низкое тяговое сопротивление. Проведены серии опытов согласно теории многофакторного планирования экспериментов, направленные на оптимизацию кинематических параметров работы тягово-приводного почвообрабатывающего агрегата, результаты которых позволили выявить рациональное соотношение рабочей скорости движения агрегата и окружных скоростей движения переднего и заднего рядов дисково-игольчатых рабочих органов, что обеспечило высокие показатели качества крошения почвы и энергетической эффективности процесса ее поверхностной обработки. Для изменения кинематических параметров работы переднего и заднего рядов батарей дисково-игольчатых рабочих органов был изготовлен комплект различных приводных звездочек, с помощью которых изменялись передаточные отношения и устанавливались необходимые соотношения окружных скоростей движения дисково-игольчатых рабочих органов с рабочей скоростью движения агрегата. Критерием оптимизации выбрано удельное энергопотребление Эу [г/(ч%)] - относительная характеристика технологического процесса обработки почвы, показывающая часовой расход топлива на каждый процент качества крошения. Найдены оптимальные значения факторов: кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков K1= 1,08; кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков K2=1,13; рабочая скорость движения агрегата Vp=9,1 км/ч. При данных значениях факторов удельное энергопотребление Эу не превышает 90 г/(ч%).

Ключевые слова: рыхление, почва, кинематический параметр, тягово-приводное орудие, ранневесеннее боронование.

The main task in the early spring is to create conditions for the conservation of soil moisture accumulated during the autumn-winter period. This problem is solved by conducting early spring surface tillage in order to create a covering mulching layer, which reduces the unproductive moisture loss by evaporation. However, the early start of work of the machines in the field for early spring surface tillage is constrained by the low bearing capacity of moist soil, since it is necessary to create a high towing and pulling force of the tractor to move the tillage machine across the field, which should exceed the traction resistance of the tillage machine. In this case, the use of traction-driven implements having low traction resistance and requiring much less traction and coupling weight of an aggregate tractor for their operation is promising. For this purpose, a traction-driven tillage implement with low traction resistance has been developed. A series of experiments was carried out according to the theory of multi-factorial design of experiments aimed at optimizing the kinematic parameters of the traction drive tillage unit, the results of which

revealed a rational ratio of the operating speed of the unit and the peripheral speeds of the front and rear rows of disk-needle working bodies, which ensured high crumbling quality soil and energy efficiency of the process of its surface treatment. To change the kinematic parameters of the front and rear rows of batteries of disk-needle working bodies, a set of different drive sprockets was made, with the help of which the gear ratios were changed and the necessary ratios of the peripheral speeds of movement of the disk-needle working bodies with the working speed of the unit were established. The specific energy consumption Эу [g/(h ■%)] was selected as an optimization criterion - a relative characteristic of the soil cultivation technological process, showing hourly fuel consumption for each percent of crumbling quality. The optimal values of the factors were found: the kinematic parameter of the 1st row of needle discs Ki = 1,08; the kinematic parameter of the 2nd row of needle discs K2 = 1,13; operating speed of the unit Vp = 9,1 km/h. For these factors, the specific energy consumption Эу does not exceed 90 g/(h ■%).

Keywords: loosening, soil, kinematic parameter, traction-drive tillage, early spring harrowing.

Введение. В засушливых условиях Среднего Поволжья главной задачей в ранневесен-ний период является создание условий для сохранения в почве влаги, накопленной за осенне-зимний период. Эта задача решается проведением ранневесенней поверхностной обработки почвы с целью создания покрывающего мульчирующего слоя, обеспечивающего сокращение непродуктивных потерь влаги на испарение [1].

Однако ранний выход техники в поле для ран-невесенней поверхностной обработки сдерживает низкая несущая способность влажной почвы, так как для перемещения почвообрабатывающего агрегата по полю необходимо создавать высокое тягово-сцепное усилие трактора, которое должно превышать тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины [2, 3].

1 - рама; 2 - навесное устройство; 3 - опорно-регулировочное колесо; 4 - рычаг колеса; 5 - винтовой регулятор глубины обработки; 6 - передняя батарея приводных дисково-игольчатых рабочих органов; 7 - задняя батарея приводных дисково-игольчатых рабочих органов; 8 - дисково-игольчатые рабочие органы; 9 - карданный вал передачи крутящего момента от МОМ трактора; 10 - конический редуктор; 11 - карданный вал передачи крутящего момента от конического редуктора на батареи приводных дисково-игольчатых рабочих органов; 12 - распределитель потока крутящего момента с блоком сменных звездочек; 13 - цепной приводной контур передачи крутящего момента на переднюю батарею дисково-игольчатых рабочих органов; 14 - цепной приводной контур передачи крутящего момента на заднюю батарею дисково-игольчатых рабочих органов; 15 - натяжные механизмы цепных приводов контуров передачи крутящего момента на батареи дисково-игольчатых рабочих органов Рисунок 1 - Экспериментальное тягово-приводное орудие

Преодоление упомянутого сдерживающего фактора возможно за счет применения тяго-во-приводных орудий, имеющих низкое тяговое сопротивление и требующих для своей работы гораздо меньший тягово-сцепной вес агрегати-рующего трактора. Для этого разработано тяго-во-приводное почвообрабатывающее орудие, которое имеет малое тяговое сопротивление и позволяет проводить ранневесеннюю поверхностную обработку почву в более ранние сроки (рисунок 1), тем самым обеспечивая сохранение большего количества влаги в почве [4].

Рабочими органами данного орудия являются батареи приводных дисково-игольчатых рабочих органов, которые получают основную долю мощности для своей работы посредством привода от вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Однако применение приводных дисково-игольчатых рабочих органов сказывается на энергоэффективности технологического процесса обработки почвы, которая существенно зависит от кинематического режима работы дисково-игольчатых рабочих органов [5, 6].

Нами поставлена задача выявить рациональное соотношение рабочей скорости движения агрегата и окружных скоростей движения переднего и заднего рядов дисково-игольчатых рабочих органов, чтобы обеспечить высокие показатели качества крошения почвы и энергетической эффективности процесса ее поверхностной обработки.

Для изменения кинематических параметров работы переднего и заднего рядов батарей дисково-игольчатых рабочих органов был изготовлен комплект различных приводных звездочек, с помощью которых изменялись передаточ-

В связи с этим разработана методика проведения серии опытов с использованием теории многофакторного планирования экспериментов.

Методика исследованний. Методика проведения серии опытов с использованием теории многофакторного планирования экспериментов разработана для выявления рациональных соотношений рабочей скорости движения агрегата и окружных скоростей движения переднего и заднего рядов дисково-игольчатых рабочих органов.

В качестве оцениваемых показателей работы машинно-тракторного агрегата с тягово-приводным орудием выбраны качество крошения почвы и часовой расход топлива на выполнение технологического процесса обработки почвы. Критерием оптимизации выбрано удельное энергопотребление Эу [г/(ч-%)| - относительная характеристика технологического процесса обработки почвы, показывающая часовой расход топлива на каждый процент качества крошения.

Основными факторами влияния определены следующие: кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков (К1), кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков (К2) и рабочая скорость движения агрегата (Ур), км/ч [7, 8, 9]. Уровни и интервалы варьирования основных факторов при регрессионном анализе приведены в таблице 1.

ные отношения и устанавливались необходимые соотношения окружных скоростей движения дис-ково-игольчатых рабочих органов с рабочей скоростью движения агрегата.

Соотношения окружных скоростей вращения Число зубьев ведущей звездочки передних батарей

16 17 18 19 20

Число зубьев ведущей звездочки задних батарей 18 1,13 1,06 1,00

19 1,19 1,12 1,06 1,00

20 1,25 1,18 1,11 1,05 1,00

21 1,24 1,17 1,11 1,05

22 1,22 1,16 1,10

Таблица 1 - Уровни и интервалы варьирования основных факторов при регрессионном анализе

Факторы варьирования Уровни варьирования факторов

+1 0 -1

Кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков К1 1,15 1,10 1,05

Кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков К2 1,20 1,15 1,10

Рабочая скорость движения агрегата Ур, км/ч 11,0 9,1 7,2

Таблица 2 - Кинематические параметры передних и задних рядов батарей дисково-игольчатых рабочих органов

Комплект различных приводных звездочек позволял изменять кинематические параметры работы передних и задних рядов батарей диско-во-игольчатых рабочих органов от 1,0 до 1,25 в соответствии с таблицей 2.

Серии опытов выполнялись по симметричному некомпозиционному квази-й-оптималь-ному плану Песочинского.

Определение качества крошения почвы выполнялось по СТО АИСТ 4.2-2010. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей стандартной методики. Данной методикой предусматривался отбор образцов почвы на обработанных участках на всю глубину рыхления с площади 25*25 см. Качество крошения выражалось процентным содержанием по весу почвенных агрегатов размером от 1 до 50 мм в каждой отобранной пробе.

Часовой расход топлива определялся в соответствии с методикой энергетической оценки по ГОСТ Р 52777-2007 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки» с применением информационно-измерительной системы ИП-264 ФГБУ «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция».

Результаты реализации серии опытов обрабатывались по общепринятой методике полевого опыта [10].

Результаты исследований. В результате проведения серии опытов по симметричному некомпозиционному квази-й-оптимально-му плану Песочинского и регрессионному анализу результатов опытов, после замены кодовых значений факторов на натуральные получено следующее уравнение регрессии в натуральном раскодированном виде:

Эу = 1790,2-1583,5К -1486,5К2 -6,47^ + 810К2 + 730К2 + 0,46V? - 140КК• (1)

При рабочей скорости движения агрегата Vp = 9,1 км/ч уравнение регрессии примет следующий вид:

Эу = 1769,7- 1583,5К - 1486,5К2 + 810К2 + 730К| - 140КК• (2)

По уравнению регрессии (2) построена графическая зависимость изменения удельного энергопотребления (Эу) в зависимости от кине-

матических параметров 1-го (К) и 2-го (К2) рядов игольчатых дисков в виде сечения поверхности отклика (рисунок 2).

Кинематический параметр 1 -го ряда игольчатых дисков

Рисунок 2 - Факторная зависимость удельного энергопотребления

Для определения оптимальных величин уравнение (2), определяя производные первого кинематических параметров 1-го (К?) и 2-го (Кг) порядка по каждой переменной и приравняем их рядов игольчатых дисков продифференцируем к нулю:

дЭу дК дЭу дК

= -1583,5 + 810 • К -140 ■ К = 0; = -1486,5 + 730 ■ К -140 ■ К = 0.

(3)

>

В результате решения полученной системы уравнений (3) найдены оптимальные значения факторов: кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков K1=1,08; кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков Кг=1,13 при рабочей скорости движения агрегата Vp=9,1 км/ч. При данных значениях факторов удельное энергопотребление Эу не превышает 90 г/(ч-%).

Выводы. Повышение энергоэффективности ранневесенней обработки почвы может быть достигнуто за счет применения тягово-приводных почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами, не создающих высоких тяговых сопротивлений и не требующих большого тягово-сцепного веса агрегати-рующего трактора. Снижение тягового сопротивления таких орудий достигается передачей основной доли мощности через МОМ трактора на приводные ротационные рабочие органы, которые создают толкающее усилие, минимизируя тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия. Наилучшая энергоэффективность работы тягово-приводного почвообрабатывающего орудия обеспечивается оптимальными значениями таких факторов, как кинематический параметр 1 -го ряда игольчатых дисков K?=1,08; кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков Кг=1,13, оптимальные значения которых определены при рабочей скорости движения агрегата Vp=9,1 км/ч. При данных значениях факторов удельное энергопотребление Эу не превышает 90 г/(ч-%).

Литература

1. Савельев, Ю.А. Теоретическое исследование водного баланса почвы и процесса испарения почвенной влаги / Ю.А. Савельев, Ю.М. Добрынин, П.А. Ишкин // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2017. -№ 1. - С. 23-28.

2. Zoz, F.M., Grisso, R.D. Traction and Tractor Performance // ASAE Distinguished Lecture #27, Agricultural Equipment Technology Conference, 9-11 February 2003. -Louisville, Kentucky, 2003, USA.

3. Гуськов, А.В. Определение тягово-сцепных качеств шин ведущих колес трактора / А.В. Гуськов // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2007. - № 37 - С. 71-74.

4. Пат. 2538810 Российская Федерация, МПК А 01 В 33/02. Орудие для поверхностной обработки почвы / Ишкин П.А., Савельев Ю.А., Петров А.М., Петров М.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарская гос. с.-х. академия. - № 2013146320/13; заявл. 16.10.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1. - 7 с.

5. Мусин, Р.М. Повышение эффективности куль-тиваторных агрегатов с движителями-рыхлителями: монография / Р.М. Мусин, Р.Р. Мингалимов. - Самара, 2012. - 156 с.

6. Мингалимов, Р.Р. Исследования процесса образования и использования дополнительной движущей силы машинно-тракторного агрегата в результате применения движителей-рыхлителей / Р.Р. Мингалимов, Р.М. Мусин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 1 (29). -С. 126-132.

7. Чаткин, М.Н. Кинематика и динамика ротационных почвообрабатывающих рабочих органов с винтовыми элементами: монография / М.Н. Чаткин; науч. ред. В.И. Медведев, П.П. Лезин. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. - 315 с.

8. Performance of free rolling and powered tillage discs / P.P. Nalavade, V.M. Salokhe., T. Niyamapa, P. Soni // Soil and tillage research. - 2010. - № 109. - Р. 87-93.

9. Development of a disc harrow for on-farm crop residue management / P.P. Nalavade, V.M. Salokhe, T. Niyamapa, P. Soni // International Agricultural Engineering Journal. - 2013. - Vol. 22 (1). - P. 49-60.

10. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. - М.: Агропромиздат, 1985. - 343 с.

References

1. Savelev Ju.A., Dobrynin Ju.M., Ishkin P.A. Teoreti-cheskoe issledovanie vodnogo balansa pochvy i processa ispareniya pochvennoy vlagi [Theoretical study of the water balance of the soil and the process of evaporation of soil moisture], Selskohozyaystvennye mashiny i tehnologii, 2017, No 1, pp. 23-28.

2. Zoz F.M., Grisso R.D. Tractionand Tractor Performance. ASAE Distinguished Lecture #27, Agricultural Equipment Technology Conference, 9-11 February 2003, Louisville, Kentucky, 2003, USA.

3. Guskov A.V. Opredelenie tyagovo-scepnyh ka-chestv shin vedushhih koles traktora [Determination of the traction properties of the tires of the driving wheels of the

tractor], Vestnik Harkovskogo nacionalnogo avtomobilno-dorozhnogo universiteta, 2007, No 37, pp. 71-74.

4. Ishkin P.A., Savelev Ju.A., Petrov A.M., Pet-rov M.A. Orudie dlja poverhnostnoj obrabotki pochvy [Surface tillage implement], pat. 2538810 RF, MPK A 01 V 33/02, zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO Samarskaya gos. s.-h. akademiya, No 2013146320/13, zayavl. 16.10.2013, opubl. 10.01.2015, Bjul. No 1, 7 p.

5. Musin R.M., Mingalimov R.R. Povysheniey effek-tivnosti kul'tivatornyh agregatov s dvizhiteljami-ryhliteljami: monografija [Improving the efficiency of cultivating units with ripper movers: monograph], Samara, 2012, 156 p.

6. Mingalimov R.R., Musin R.M., Issledovaniya processa obrazovaniya i ispol'zovaniya dopolnitel'noy dvizhu-shhey sily mashinno-traktornogo agregata v rezultate prime-neniya dvizhiteley-ryhliteley [Studies of the process of formation and use of the additional driving force of the machine-

tractor unit as a result of the use of movers-rippers], Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy se'skohozyaystvennoy akade-mii, 2015, No 1 (29), pp. 126-132.

7. Chatkin M.N. Kinematika i dinamika rotatsionnyh pochvoobrabatyvajushhih rabochih organov s vintovymi jele-mentami: monografija [Kinematics and dynamics of rotary tillage working bodies with screw elements: monograph], Saransk: Izd-vo Mordov. un-ta, 2008, 315 p.

8. Nalavade P.P., Salokhe V.M., Niyamapa T., Soni P. Performance of free rolling and powered tillage discs, Soil and tillage research, 2010, No 109, pp. 87-93.

9. Nalavade P.P., Salokhe V.M., Niyamapa T., Soni P. Development of a disc harrow for on-farm crop residue management, International Agricultural Engineering journal, 2013, Vol. 22 (1), pp. 49-60.

10. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta [Field Experience Technique], M.: Agropromizdat, 1985, 343 p.

Сведения об авторах

Савельев Юрий Александрович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Самарский государственный аграрный университет» (п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Российская Федерация). Тел.: +7-927-001-75-63. E-mail: [email protected].

Петров Александр Михайлович - профессор, кандидат технических наук, ректор ФГБОУ Во «Самарский государственный аграрный университет» (п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Российская Федерация). Тел.: +7-939-754-04-86. E-mail: [email protected].

Ишкин Павел Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО «Самарский государственный аграрный университет» (п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Российская Федерация). Тел.: +7-927-710-18-15. E-mail: [email protected].

Петров Михаил Александрович - тоискатель кафедры «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Самарский государственный аграрный университет» (п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Российская Федерация). Тел.: +7-937-987-74-729. E-mail: [email protected].

Авдеев Дмитрий Алексеевич - аспирант кафедры «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Самарский государственный аграрный университет» (п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Российская Федерация). Тел.: +7-939-754-04-86.

Information about the authors

Saveliev Yurii Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, associate professor, professor of the Agricultural machines and mechanization of livestock breeding department, FSBEI HE «Samara State Agrarian University» (Ust-Kinelskiy, Samara region, Russian Federation). Phone: +7-927-001-75-63. E-mail: [email protected].

Petrov A^ander Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, professor, rector of the FSBEI HE «Samara State Agrarian University» (Ust-Kinelskiy, Samara region, Russian Federation). Phone: +7-939-754-04-86. E-mail: [email protected].

Ishkin Pavel Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Electrification and automation of the agro-industrial complex department, FSBEI HE «Samara State Agrarian University» (Ust-Kinelskiy, Samara region, Russian Federation). Phone: +7-927-710-18-15. E-mail: [email protected].

Petrov Mikhail Aleksandrovich - applicant of the Agricultural machines and mechanization of livestock breeding department, FSBEI HE «Samara State Agrarian University» (Ust-Kinelskiy, Samara region, Russian Federation). Phone: +7-937-987-74-729. E-mail: [email protected].

Avdeev Dmitry Alekseevich - post-graduate student of the Agricultural machines and mechanization of livestock breeding department, FSBEI HE «Samara State Agrarian University» (Ust-Kinelskiy, Samara region, Russian Federation). Phone: +7-939-754-04-86.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Обоснование кинематических параметров тягово-приводного почвообрабатывающего орудия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Текст научной работы на тему «Обоснование кинематических параметров тягово-приводного почвообрабатывающего орудия»