Параметры рабочих органов комбинированных агрегатов и их экономическая эффективность Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Сельскохозяйственные

и технические науки

УДК 631.319

Параметры рабочих органов комбинированных агрегатов

и их экономическая эффективность

12 2 Г.С. Юнусов, М.М. Ахмадеева, Г.Г. Эдвардссон

1 Марийский государственный университет, Йошкар-Ола 2Марийский государственный технический университет, Йошкар-Ола

Приведено обоснование преимущества поверхностной обработки почвы в условиях северной и центральной частей Нечерноземья.

Дана методика расчета параметров рабочих органов комбинированных агрегатов, их экономическая эффективность.

The article describes the advantages of surface soil processing on the territory of northern and central non-black earth parts of Russia.

The method of components calculation of combined agricultural machines is also given, their economic efficiency.

Почвенно-климатические условия предъявляют определенные требования к системам обработки почвы.

Для большинства зон России, Канады, США и других стран характерными являются недостаточное увлажнение и избыточная теплообеспеченность, а также подверженность почв ветровой эрозии.

В связи с этим, история развития земледелия имеет целый ряд научных решений по применению почвозащитных приемов основной обработки почвы.

В европейской части России отличительной особенностью системы основной обработки почвы является преобладание традиционной отвальной вспашки, а также ее комбинации с поверхностными обработками - культивацией, дискованием, лущением. Огромная роль при этом принадлежит лущению, способствующему накоплению и сбережению влаги, борьбе с сорняками и уменьшению тягового сопротивления при последующей вспашке.

В условиях северной и центральной частей Нечерноземья лущение проводят вслед за уборкой урожая в два-три следа вдоль и поперек поля на глубину 10-12 см. На тяжелых, сильно уплотненных почвах для этого применяют тяжелые дисковые бороны.

По многолетним данным исследований установлено, что в результате применения лущения в засушливой зоне европейской части России полу-

чена прибавка урожая зерновых от 6,6% (0,07 т/га) до 15,4% (0,22 т/га).

В Республике Марий Эл в 1981 г. площади, обрабатываемые под посев озимых зерновых культур без оборота пласта, - 8 тыс. га, при этом урожайность составляла 1,15 т/га, в 1989 г. площади безотвальной обработки составили 157 тыс. га, урожайность возросла до 2,6 т/га. В настоящее время более 68% площадей под посев обрабатываются поверхностным способом.

На полях, где лущение не применяется, вспашку проводят в более ранние сроки. Однако роль ее в различных зонах страны неодинакова. Она является положительной, если количество осадков за вне-вегетационный период (со среднесуточными температурами воздуха ниже 5°С) составляет более 150 мм. При выпадении более 250 мм осадков за вегетационный период недостаток влаги небольшой и дополнительное ее накопление за счет ранней вспашки не дает эффекта, а наибольший вред вспашки проявляется в условиях очень холодной зимы с частой повторяемостью ветров и малым количеством снега, когда вместе со снегом уносится с полей значительное количество мелкозема.

Реализация почвозащитной системы земледелия позволит не только минимизировать обработку почвы,

но и уменьшить ее распыление, сохранить стерню и растительные остатки на поверхности полей, тем самым надежно защитить их от ветровой и водной эрозии. Это способствует не только повышению урожайности зерновых культур, но и снижению затрат на почвообработку.

Одним из основных показателей экономической эффективности системы обработки почвы является объем произведенной продукции с единицы площади. Отличительной особенностью почвозащитной минимальной обработки почвы является не только рост объема производства продукции, но и снижение энергозатрат, топлива и труда на единицу обработанной площади.

Использование однооперационных машин требует большого количества проходов машинно-тракторных агрегатов по полю, что ведет к уплотнению почвы и, зачастую, к превышению оптимальных агротехнических сроков ее подготовки к посеву.

Глубина распространения деформации в почве от воздействия ходовых систем машин значительно превосходит величину пахотного слоя, достигает 60120 см и более и зависит от свойств почвы, массы и тягового усилия трактора. Для снижения отрицательного воздействия ходовых систем машинно-тракторных агрегатов (МТА) на почву и сбережения трудозатрат необходимо внедрять поверхностную (плоскорезную) обработку почвы за счет совмещения технологических операций, применения комбинированных агрегатов.

В сельскохозяйственном машиностроении возникла и получила довольно широкое распространение тенденция создания почвообрабатывающих агрегатов на бесцепочной основе.

Агрегаты из нескольких однооперационных машин - наиболее простой вид комбинированных агрегатов. Примером могут служить: плуг с катками, плоскорез с ротационной игольчатой бороной, культиватор с зубовыми боронами, культиватор с пружинной бороной и прикатывающими каточками или даже с сеялкой. При таком соединении одноопера-ционных машин промежуток времени между смежными операциями сокращается до минимума, агрегат составляется из имеющихся серийных машин без их переделки. Недостатки у таких агрегатов, при кажущейся простоте, следующие: большая металлоемкость и габаритные размеры (длина), нет согласования с тягово-сцепными возможностями используемых энергетических средств. Эти агрегаты имеют более низкие коэффициенты готовности, технического использования, сменного и эксплуатационного времени, по сравнению с такими же показателями у однооперационных машин, из которых составлен комбинированный агрегат.

Машины с несколькими группами одноопераци-онных рабочих органов - более рациональное решение. В этом случае на одной раме монтируются группы рабочих органов, выполняющих каждый по-

следовательно свою операцию. Преимуществом машин такого типа является их компактность, меньшая металлоемкость и больший коэффициент технической готовности.

Многочисленные исследования не вызывают сомнений в том, что на дерново-подзолистых сред-несуглинистых почвах наиболее приемлемая схема расстановки рабочих органов на комбинированном (блочно-модульном) агрегате следующая: два ряда, под углом атаки, сферические вырезные диски, затем в три ряда плоскорежущие лапы, и на отдельном модуле в два ряда, под углом атаки, игольчатые диски. Изменение угла атаки дисковых сферических и игольчатых батарей позволяет обрабатывать почву на заданную глубину, качественно ее крошить, измельчая растительные остатки. При этом дно борозды выравнено, количество почвенных агрегатов размером (1-30 мм) по агрофону горохо-овсяная смесь (при глубине обработки 12 см) составляет 78,6-80,4%, соответственно по викоовсяно-подсолнечной смеси от 75,4 до 82,8%, что на 31-41% выше, чем при традиционной обработке почвы.

Такая технологическая схема сочетания рабочих органов и их расстановка позволяет за один проход выполнить полностью технологический цикл (измельчение - рыхление - выравнивание и прикатывание).

При разработке блочно-модульного агрегата важным условием являются параметры рабочих органов.

Как известно, для определения кинематических характеристик движения дисковых почвообрабатывающих органов необходимо описать уравнения их движения в принятой системе координат. Такими исследованиями занимались многие ученые, в них содержатся решения отдельных задач о движении ротационных органов в почве. Но они являются частными решениями, так как предполагают наличие разных ограничений, которым подчинены начальные условия положения точки на поверхности дискового рабочего органа.

По известным уравнениям невозможно определить кинематические характеристики одновременно двух точек рабочей поверхности (например, вершины и впадины зуба) и сравнивать их. Невозможно также определить координаты произвольной точки рабочей поверхности в исходный момент (при t = 0).

Дисковый орган радиусом Я установлен под углом атаки а к направлению движения агрегата (рис. 1). В относительном движении рабочий орган вращается под действием почвы с постоянной угловой скоростью со. Переносное движение вместе с агрегатом -прямолинейное и равномерное со скоростью Уе.

Для удобства начало «О» основной неподвижной системы координат 0ХУ2 в исходный момент ( = 0) располагаем в центре диска.

В подвижной цилиндрической системе координат, у которой основная плоскость совпадает с плоскостью режущей кромки дискового органа, а ось Х - с его осью вращения, положение произвольной

точки A рабочего органа определяется тремя коор-динатами:

Я; У и Хь (1)

где у - угол, определяющий положение точки А в момент времени t = 0.

За время t рассматриваемая точка А поверхности диска, вращаясь вокруг своей оси с угловой скоростью с и поступательно двигаясь с агрегатом со скоростью ¥е, займет новое положение в пространстве с координатами:

Яг; у+С и Хь (2)

Выражая Х1 через параметры сферического диска имеем (рис. 1):

X, = R к

-VR

R 2

(3)

где RK - радиус сферы дискового органа.

Определяем прямоугольные координаты точки А в подвижной системе координат 01Х1У121 через цилиндрические координаты:

Xi = Rk "V RK - R; Y = R • sin(wt + y); Z1 = -R • cos(wt + yi).

(4)

Рис. 1. Схема для определения кинематических характеристик дискового почвообрабатывающего органа

Уравнения движения точки A поверхности рабочего органа в неподвижной прямоугольной декартовой системе координат OXYZ, у которой начало О при t = 0 находится в центре диска с учетом поступательного движения диска имеет вид (поворот осей ОХ1 и OY1 относительно оси OZ на угол (90°-a):

X = Ve • t-Y1 • sin(90°-a) + X1 • cos(90°-a);

< Y = Y1 • cos (90° - a) + X1 • sin (90° - a);

(5)

Z = Z1.

или

X = Vet - R sin(wt + y) cosa +

+ RK sin a - sin a^R2 - R2; (6)

Y = sin aRi sin(wt + yi) cos a +

+ RK cos a - cos ayjR2 - R; Z = - R cos( wt + yt).

Эти уравнения позволяют найти координаты любой точки поверхности дискового органа в простран -стве, в произвольный момент времени, в принятой системе координат.

Определяем скорости воздействия точек поверхности сферического диска на почву:

dx

Vx = — V - R о cos(wt + у ) cos a;

dt e ; ;

dy (7)

V = — R о co=(wt + y ) sin a;

dt ; ;

Vz = — R о sin(wt + у ).

dt ; ;

Модуль абсолютной скорости:

V = VV2 + V2 + Vz2 . (8)

Преобразовав уравнение (8), получим окончательно: Va = VVe2 + V02 - 2Ve • V0 cos(wt + y)cos a . (9)

Анализ показывает, что модуль скорости воздействия рабочей поверхности дискового органа по мере углубления рассматриваемой точки в почву сначала уменьшается до минимума, далее при выходе из почвы снова увеличивается по вогнутой кривой.

Абсолютное ускорение воздействия точек рабо-чей поверхности дискового органа на почву равно:

w =у1(к )2 +V )2 +V )2 = O2r, . (10)

Ускорение тем больше, чем дальше от оси вращения находится рассматриваемая точка рабочей поверхности.

Необходимый диаметр сферического диска можно определить из полученного уравнения:

2R (cos a - f sin a)

Д = -

л/1+7

(11)

где f- коэффициент трения почвы по рабочему органу.

Как видно из выражения (11), величина диаметра дискового органа находится в прямой зависимости от его радиуса кривизны, а также зависит от угла атаки а и угла трения почвы о рабочую поверхность.

На основании анализа полученного уравнения, с учетом эксплуатационных условий работы и техно -логических регулировок можно сделать вывод о том, что величина диаметра рабочего органа должна быть в пределах 650 мм.

Характер перемещения почвы любым рабочим органом зависит от величины угла т между направлением абсолютной скорости рассматриваемой точки рабочего органа и нормалью к данной точке рабочей поверхности.

Условие скольжения почв по рабочей поверхности:

т>р, (12)

где р - угол трения почвы о материал рабочего органа.

Рис. 2. Схема для определения диаметра и радиуса кривизны сферического диска

Как видно из рис. 2, направление нормали зависит от радиуса кривизны диска, следовательно, радиус кривизны диска влияет и на величину угла т. Поэтому с целью снижения энергоемкости обработки почвы дисковым орудием необходимо описать величину угла т в общем виде, задав оптимальный режим работы диска, найти рациональное значение радиуса кривизны дисковых рабочих органов.

Для точки К зоны схода почвы:

уг + ^ = 90°. (13)

Абсолютную скорость точки К находим из уравнения (8):

V = V V2 + V2

координаты точ! (26):

R, = R ; wt + g = 90°

(14)

Определяем координаты точки К из общих уравнений движения (26):

X =- R cosa + sin a (RK R2 - R2);

YK = R sina + cosa (RKR2 - R2); ZK = 0, т.е.

K[-R cosa + sina(RK R - R2);

R sina + cosa (RK - - R2); 0].

(15)

(16)

Определяем координаты точки С в системе координат OXYZ:

XC = RK sina; YC = RK cosa; Zc = 0;

(17)

C{RK sina; RK cosa;0} • (18)

Уравнение прямой КС определяется по известному выражению:

X - X Y - Y Z - Z

X - X Yc - YK Zc - Z

X + R cosa- sina( RK R - R2 RK sina + R cosa - sina (RK -yjR2 - R2)

Y - R sina - cosa (RK-y¡ R2 - R2 R cosa - R sin a- cosa

(19)

(20)

( r-VR

2 R2

Zc -Z

Уравнение прямой, совпадающей с вектором скорости V и проходящей через точку К:

X - X Y - V Z - 2„

(21)

cosa

cosa

cosg

где

V

V V

cosa= —-; cosP = —; cosg

VK Vk VK

Для точки К:

Vx = X' = Ve; Vy = 0; Vz =wR = V,.

(22)

Подставляя значения в уравнение (20), находим: sina( Rk-4R

X + R cosa - sina(

R2

(23)

- R sina- cosa( RK R2 - R2 )- V Z

Угол между этими прямыми определяется как: lll2 + mím 2 + nín 2

cosr =

д//12 + m,2 + ni -д//

2 2 2 + m2 + n 2

(24)

l1 = RK sina + R cosa -

- sina( RK -J R2 - R2); < m1 = RK cosa - Rsina -

- cosaR -jR2 -R2); n1 = 0;

где 12 = Ve; m 2 = 0; n2 = V0.

(25)

(26)

Подставляя значения /ь шь щ, 12, т2 и п2 из (25) и (26) в уравнение (24), после некоторых преобразований получим:

V (Я 008 а + зта^/Я] - Я2)

cost =-

(27)

R.V.

где V - абсолютная скорость точки К.

Полученное уравнение (27) запишем в виде: Я V

008 Т ——

V

е

Возводим обе части уравнения в квадрат:

2 Я2¥2

-R cosa sJr2 - R2 sina •

cos t-

V

e

R V

+ R cos a -

(28)

(29)

J\ V í 2 ^ 2

-2cost к к R cosa (R;t - R )sin a.

R

r min _ ^

к ~Ё

V . I—2--

— cos j cosa + sinav cos a- E

V

\

,(30)

расположенные в три ряда в шахматном порядке. Исследованиями ряда авторов установлено, что взаимное расположение рабочих органов на раме влияет на агротехнические и энергетические показатели работы орудия.

Условием выбора оптимального расстояния между органами в продольном направлении является зона деформации почвы перед плоскорежущей лапой, которая образуется впереди идущей лапы. В противном случае пласт будет испытывать напряжения сжатия, что приведет к увеличению энергоемкости обработки почвы.

Рассмотрим рыхлительные лапы, установленные на раме в три ряда и производящие обработку почвы на глубину а.

При работе рыхлительной лапой область деформации почвы определяется плоскостью СК (рис. 3), расположенной под углом у ко дну борозды.

Как видно из рис. 3, минимальное расстояние между рыхлительными лапами в продольном направлении определяется как:

L = l1 +-

tgy

(32)

V

е

Исходя из этого квадратного уравнения при известных Я, V,, и V0, определяем минимально допустимый радиус кривизны по условиям работоспособности дискового органа Т>ф.

Так, если в уравнении (29) угол между абсолютной скоростью точки и нормалью т заменить через угол трения ф и произвести некоторые преобразования, то получим минимальный радиус кривизны диска в следующем виде:

где а - глубина обработки почвы;

у - угол наклона плоскости скалывания почвы; ¡1 - расстояние от носка лапы до стойки.

При движении рабочего органа угол У по формуле академика В.П. Горячкина выражается зависимостью:

y = 900 -

a+j + p 2

(33)

где а - угол крошения лапы;

ф - угол трения почвы по стали; р - угол трения почвы по почве.

Среднее значение угла внутреннего трения р принимают равным 40°.

Подставив выражение (33) в формулу (32), получим:

cos2 j V2 . 2 отсюда E =-2--sin a, (31)

Vе

где Ve - поступательная скорость диска;

R - радиус диска.

Таким образом, радиус кривизны дискового почвообрабатывающего органа зависит от режимов его работы, технологических регулировок, величины диаметра диска и физико-механических свойств почвы.

Расчеты, произведенные по выражению (30) показали, что для качественной работы величина радиуса кривизны должна быть 600 мм.

Размещение плоскорежущих лап на раме

Рабочими органами комбинированного орудия, установленными после вырезных сферических дисков, являются плоскорежущие или рыхлительные лапы,

L = l1 +-

g 90-

= h +-

ctg

a+j + p 2

. (34)

Таким образом, расстояние между лапами в продольном направлении зависит от глубины хода и конструктивных параметров лап, а также физико-механических свойств обрабатываемой почвы. Расчеты, произведенные по выражению (34) с учетом эксплуатационных условий работы, конструктивных параметров лап и физико-механических свойств обрабатываемой почвы, показали, что расстояние между лапами Ь должно быть не менее 350 мм.

С боковых сторон деформация почвы рыхлитель-ными лапами ограничивается плоскостями 1-2 и 3-4, расположенными под углом фф к прямым 1-5. Изучая их, приходим к следующему выводу.

a

a

a

Продолжение табл.

№ п/п Единицы измерения Агрегат

Показатели экспериментальный базовый

1 2 3 4 5

1. Производительность га/ч 3,43 2,68

2. Урожайность т/га 2,6 2,1

3. Стоимость продукции руб ./га 7800 6300

Рис. 3. Расчетная схема к обоснованию взаимного размещения плоскорежущих лап на раме

Чтобы не было сгруживания почвы и забивания растительными остатками промежутка между стойками плоскорежущих лап, необходимо разместить их на раме в три ряда в шахматном порядке. В таком случае выдерживается условие отсутствия положения плоскостей скалывания. При использовании плоскорежущей лапы шириной захвата 410 мм расстояние в ряду между стойками должно быть 810 мм.

При использовании новых агрегатов для поверхностной обработки почвы важно обеспечить не только лучшие условия для вегетации растений, но и снижение себестоимости единицы выполненной работы. Результаты исследований блочно-модульного агрегата служат основой для расчета технико-экономических показателей его работы. В качестве альтернативного варианта для сравнения принят производственный агрегат КУМ-4 с трактором Т -150К.

Показатели экономической эффективности БМА приведены в таблице.

Показатели экономической эффективности обработки почвы под посев базовым и экспериментальным агрегатами

1 2 3 4 5

4. Себестоимость технологии обработки почвы: руб ./га 367,6 438,2

в т.ч.: заработная плата 69,5 76,1

амортизационные 76,1 83,6

отчисления

затраты на ТОРиХ 61,6 67,7

затраты на ТСМ 98,4 148,8

прочие затраты 62 62

5 Удельные руб ./га 535,7 589,2

капиталовложения

6. Приведенные затраты руб ./га 447,9 526,6

7. Сумма годовой руб ./га 70,6 -

экономии эксплуатационных затрат

8. Стоимость дополнитель- тыс. руб. 1500,0 -

ной продукции

9. Совокупный годовой тыс. руб. 1570,6 -

доход (эффект)

10. Годовой экономический эффект руб. 442000 -

11. Трудоемкость чел.-ч/га 0,29 0,37

12. Энергоемкость кДж/га 47,8 65,3

13. Металлоемкость т/га 4,18 5,67

14. Расход топлива кг/га 8,20 12,40

Данные таблицы свидетельствуют об улучшении экономических показателей. Рост производительности агрегата в 1,28 раза и его меньшая стоимость на 9,1% приводят к снижению себестоимости технологии обработки почвы на 70,6 руб./га или на 16%, росту урожайности зерновых на 0,3-0,5 т/га (14,3-23,8%) и увеличению дополнительного дохода на 900-1500 руб./га (14,323,8%). Совокупный доход, включающий как стоимость дополнительной продукции, так и экономию эксплуатационных затрат, составляет от 970,6 до 1570,6 руб./га или от 931,8 до 1507,8 тыс. руб. на агрегат. Срок окупаемости только экономией эксплуатационных затрат составит два сезона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Юнусов Г.С. Кинематический анализ движения дисковых рабочих органов / Г.С. Юнусов // Техника в сельском хозяйстве. -2005. - № 2. - С. 49-50.

2. Юнусов Г.С. Рекомендации по комплектованию и эксплуа-тации комбинированных агрегатов на обработке почвы под посев зерновых култур в условиях Марийской АССР / Г.С. Юнусов, М.М. Ахмад еева, Е.П. Киткаев. - Йошкар-Ола: Мар. кн. изд-во, 1987. - 64 с.

3. Юнусов Г.С. Определение диаметра сферического диска для обработки почвы / Г.С. Юнусов // Техника в сельском хозяйстве. -2005. - № 2. - С. 48.

4. Юнусов Г.С. Агрегат для подготовки почвы под посев / Г.С. Юнусов // Техника в сельском хозяйстве. - 2005. - № 4. - С. 43.