CC BY
1УДК 631.31
РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОЧВООБОБРАБАТЫВАЮЩИХ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ С РЫЧАЖНЫМИ ВИБРОУДАРНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ
Белов А.В., старший лаборант; Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского».
В статье изложены результаты сравнительных экспериментальных исследований серийного рабочего органа КПЭ-3,8 с экспериментальным рычажным виброударным рабочим органом проведенныхв почвенном канале лаборатории Бионической агроинже-нерии кафедры механизации и технического сервиса в АПК и на опытном поле Института «Агротехнологическая академии». Исследованиямиопределе-ныпреимущества экспериментальных рычажный виброударных рабочих органов культиватора КПЭ-3,8М над серийными рабочими органами. Преимущество заключается в снижении тягового сопротивления, повышении качества крошения почвы и снижении энерго-экономических затрат на процесс поверхностной обработки почвы.
Ключевые слова: рычажный виброударный рабочий орган КПЭ-3,8М, тяговое сопротивление, глыби-стость, крошение почвы, экономическая эффективность.
THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES AND THE EFFECTIVENESS OF TILLAGE WORKING ORGANS WITH LEVER VIBRATION SHOCK MECHANISMS
Belov A.V., senior laboratory assistant; Institute «Agrotechnological Academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University».
The article presents the results of comparative experimental studies of a serial working organ KPE-3.8 with an experimental lever vibration-shock working organ conducted in the soil channel of the laboratory of Bionic Agroengineering of the Department of "Mechanization and Technical Service in the Agro-industrial complex" and on the experimental field of the Institute "Agrotechnological Academy". The research has determined the advantages of experimental lever vibro-shock working bodies of the cultivator KPE-3.8 M over serial working bodies. The advantage lies in reducing traction resistance, increasing the quality of soil crumbling and reducing energy and economic costs for the process of pre-sowing tillage.
Keywords: lever vibration impact working body KPI-3.8M, traction resistance, lumpiness, soil crumbling, economic efficiency.
93
Введение. Применение вибраций, импульсных нагрузок и ударных воздействий на почву позволяет значительно снижать тяговое сопротивление при ее обработке [1, 2]. Под воздействием колебательной или импульсной нагрузки в почве возбуждаются и распространяются волны напряжений, которые значительно меньше предела прочности при статических нагрузках. Для подтверждения этих предпосылок были спланированы и проведены серия экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях.
Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с использованием известных методик статистического анализа, включающего оценку значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента и проверку адекватности математической модели по критерию Фишера [3, 4].
Материал и методы исследований. Лабораторные исследования проводились в почвенном канале «Научно-исследовательской лаборатории бионической агроинженерии» Агротехнологической академии ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского». Был спланирован и проведен многофакторный эксперимент с кодированными величинами факторов в виде скорости и глубины обработки. Во время движения передвижной тележки с установленными на ней экспериментальным рычажным виброударным рабочим органом и серийным рабочим органом культиватора КПЭ-3,8 проводилась фиксация при помощи тензометрической станции 2Е^аЬ тягового сопротивленияи амплитудно-частотной характеристики (таблица 1).
Таблица 1. Частоты колебаний и тяговое сопротивление серийного и исследуемого рабочего органа с рычажным виброударным механизмом
Показатели Рабочий орган с рычажными виброударными механизмами Серийный рабочий орган культиватора КПЭ-3,8 Снижение тягового сопротивления экспериментальным рабочим органом, %
Глубина экспериментального прохода ^ Ы0-2м Частота колебаний к, Гц Тяговое сопротивление Р, Н Частота колебаний к, Гц Тяговое сопротивление Р, Н
4 1,55 721 0,9 890 18,98
6 1,74 1174 1,05 1450 19,03
8 1,83 1594 1,09 1983 19,61
После прохода рабочими органами в почвенном канале проводились замеры влажности, твердости и деформационного показателя почвы (таблица 3).
94
Таблица 2. Влажность, твердость и деформационный показатель почвы
Глубина ^ м Показатель
Влажность W, % Твердость р, Н/см2 Де формационный показатель и, м2/Н
0-0,07 14,73-18,03 185,67-191,69 1,87^10-7-2,4Ь10-7
0,07-0,14 14,85-18,36 185,29-191,45 1,92^10-7-2,59^10-7
0,14-0,21 14,74-15,72 184,68-191,32 1,95^10-7-2,72^10-7
Также были построены графики зависимости тягового сопротивления рабочих органов от скорости движения рабочего органа (рисунок 1).
Серийный ♦ рабочий орган
■ Экспериментальный рабочий орган
О 2 4 6 8 10
Рисунок 1. График зависимости тягового сопротивления серийного РС и виброударного РВ культиваторных рабочих органов от глубины обработки h почвы при скорости движения V=0,8м/с
Серийный ♦ рабочий орган
Экспериментальный рабочий орган
¡1, 10-1СНм
Рисунок 2. График зависимости тягового усилия серийного РС и виброударного РВ культиваторных рабочих органов от скорости движения V почвы при глубине обработки h=10•10-2м.
После каждого этапа выполнения многофакторного эксперимента в условиях почвенного канала лаборатории бионической агроинженерии выполнялся анализ качественных показателей обработки почвы. Так средний показатель
95
агрегатного состояния почвы после прохода серийным и экспериментальным рабочими органами представлен в таблице 3.
Таблица 3. Агрегатный состав обработанной почвы серийным рабочим органом
Размеры комков, мм Общая масса пробы
№ опыта Свыше 100 мм 50-100 мм 25-50 мм Менее 25 мм
кг % кг % кг % кг % кг %
1 0,58 6,71 0,79 9,14 2,04 23,61 5,23 60,53 8,64 100
2 0,79 7,73 1,25 12,24 1,62 15,88 6,55 64,15 10,21 100
3 0,78 8,69 0,95 10,59 1,82 20,29 5,42 60,43 8,97 100
Сравнительные показатели глыбистости и крошения почвы представлены в таблице 4.
Таблица 4. Сравнительные показатели крошения и глыбистости почвы серийным и экспериментальным рабочим органом с рычажным
виброударным механизмом
№ опыта Степень крошения, % Глыбистость, %
Серийный рабочий орган Экспериментальный виброударный рабочий орган Серийный рабочий орган Экспериментальный виброударный рабочий орган
1 61,53 74,23 6,71 3,27
2 64,15 78,97 7,73 3,92
3 61,49 75,18 8,69 4,85
Среднее значение 62,39 76,12 7,71 4,01
Полевые исследования экспериментальных виброударных рабочих органов культиваторов проводились на полях учебно-опытного хозяйства Агротехноло-гическойя академии ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского» по агрофонам: обработка дисковыми боронами поверхности поля после уборки предшествующей культуры сплошного посева и черный пар.
Тип почвы - чернозем обыкновенный мицеллярно-карбонатный, сочетающийся с черноземами карбонатными полно профильными и эродированными. Перед проведением полевых испытаний по стандартной методике проводились замеры влажности, твердости и деформационного показателя почвы. Влажность почвы W при полевых испытаниях составляла: в слоях 0-0,07м ^=12,46-15,21%), 0,07-0,14 м ^=14,96-16,25%), 0,14-0,21 ^=14,84-15,68%). Твердость Р и деформационный показатель и почвы на глубине 0-0,20 м состав-
96
ляли соответственно, Р=150-170 Н/см2,и=1,87-1,98^10-7 м2/Н. Полевые исследования по определению тягового сопротивления сравнительных конструкций культиваторных лап проводились с применением агрегата в составе трактора Т-150К и противоэрозионного культиватора КПЭ-3,8М и с использованием модернизированного гидравлического динамографа ДТ-3 (рисунок 4).
Рисунок 3. Полевые исследования тягового сопротивления культиватора КПЭ-3,8М с рычажными виброударными механизмами на рабочих органах
3,5 3,0
г
х
о,- 2,5
ш X I
I □
О.
1 15 01
2 1,0 £
0,5 0,0
1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7
Скорость обработки V, м/с
Рисунок 4. График зависимости тягового усилия Р культиватора КПЭ-3,8М от скорости V обработки почвы из серийными РС и экспериментальными виброударными РВ рабочими органами по агрофону: после обработки дисковыми боронами. Результаты и обсуждение. В результате анализа тягового сопротивления после проходов экспериментальным рычажным виброударным и серийным рабочими органами культиватора были простроены графики зависимости тягового сопротивления от скорости движения для агрофонов после обработки поля тяжелыми дисковыми боронами (рисунок 5) и для черного пара (рис. 6).
В полевых условиях выполнялся анализ агрегатного состава почвы после прохода серийным рабочим органом культиватора КПЭ-3,8 (табл. 5) и экспериментальным рычажным виброударным рабочим органом КПЭ-3,8М (табл. 6).
Ре = 0,4908У + 1,6479 Я1 - 0,993
Р3 = 0,375 5У+1,3925 Я1 = 0,9965
97
а_
ш
о £
0,50
0,00 -1-1-1-1-1-1
1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7
Скорость обработки V, м/с
Рисунок 5. Зависимость тягового усилия Р культиватора КПЭ-3,8М от скорости V обработки почвы из серийными РС и экспериментальными виброударными РВ рабочими органами по агрофону: черный пар.
Таблица 5. Агрегатный состав почвы, обработанный культиватором КПЭ-3,8 с серийными рабочими органами
Рабочая скорость V, м/с Фракции, мм Общая масса пробы
Свыше 100 50-100 25-50 Менее 25
кг % кг % кг % кг % кг %
1,94 1,18 11,82 1,73 17,33 1,25 12,53 5,82 58,32 9,98 100
2,22 1,05 10,33 1,44 14,18 1,53 15,06 6,14 60,43 10,16 100
2,64 0,83 8,11 1,21 11,82 1,75 17,09 6,45 62,98 10,24 100
Таблица 6. Агрегатный состав почвы, обработанной культиватором КПЭ-3,8М с рабочими органами с рычажными виброударными механизмами
Рабочая скорость V, м/с Фракции, мм Общая масса пробы
Свыше 100 50-100 25-50 Менее 25
кг % кг % кг % кг % кг %
1,94 0,54 5,09 0,83 7,83 1,89 17,83 7,34 69,25 10,50 100
2,22 0,45 4,00 0,78 6,94 2,03 18,06 7,98 71,00 11,24 100
2,64 0,37 2,46 0,67 4,46 2,06 13,71 11,93 79,37 15,03 100
Для определения экономической эффективности разработки сравнивались эксплуатационные и приведенные затраты на работу базового культиватора и оснащенного разработанными рабочими органами [5]. Полевые испытания показали, что базовый культиватор КПЭ-3,8 при максимальном погружении в почву его рабочих органов на глубину 16 см имеет общее тяговое сопротивление 23,5 кН.
98
Расход топлива для культиватора КПЭ-3,8 оборудованного серийными рабочими органами составляет 9,3 кг/га, а для оборудованного экспериментальными рычажными виброударными рабочими органами расход топлива составляет 7,5 кг/га.
Расчет экономической эффективности применения экспериментальных рычажных виброударных рабочих органов в сравнениис серийными представлен в таблице 7.
Таблица 7. Экономическая эффективность
№ п/п Показатели Агрегат Разность
модерниз. базовый
Т- 15 0К + КПЭ-3,8М Т- 15 0К + КПЭ-3,8
1 2 3 4 5
1 Дополнительные капитальные вложения, руб. 33705,1 - +33705,1
2 Годовая наработка, ч 300 300 -
3 Часовая производительность, га/ч 3,2 2,6 +0,6
4 Расход ГСМ, кг/га 7,5 9,3 -1,8
5 Зарплата, руб./га 25 30,77 -5,77
6 Стоимость ГСМ, руб./га 292,5 362,7 -70,2
7 Отчисления на амортизацию и ТО, руб./га 92,2 102,6 -10,4
8 Удельные эксплуатационные затраты, руб./га 409,7 496,07 -86,37
9 Удельные приведённые затраты, руб./га 465 557,6 -92,6
10 Сезонная экономия эксплу-а-тационных издержек, тыс. руб. - - 82915
11 Экономия сезонных приведённых затрат, руб. - - 72228
12 Срок окупаемости, лет - - 0,4
Выводы. Исследуемый рабочий орган с рычажными виброударными механизмами имеет меньшее тяговое сопротивление при обработке почвенного пласта на 18-19 %, а также большую частоту собственных колебаний на 7-8 %. Агрегатный состав почвы, обработанный культиватором КПЭ-3,8М с рабочими органами с рычажными виброударными механизмами содержит больше
99
мелких частиц почвы (менее 25мм) на 12,62 % по сравнению с серийными, вследствие более эффективного ударного воздействия рабочего органа на сколотый блок почвы. В полевых условиях проведения экспериментов степень крошения почвы после прохода культиватора с серийными рабочими органами составляет 59-63 %, глыбистость 8-12 %, а экспериментальными с рычажными виброударными механизмами, соответственно, 70-80 % и 3-5 %, что свидетельствует о повышении степени крошения экспериментальными рабочими органами перед серийными в 1,2-1,3 раза и уменьшении глыбистости почвы в 1,8-1,9 раза Предложенная конструкция культиватора КПЭ-3,8М оснащённая разработанными рабочими органами с рычажными виброударными механизмами при капитальных вложениях 33705,1 рублей дает экономический эффект в размере 72229 руб. При сезонной экономии эксплуатационных средств в размере 82915 рублей модернизация окупится за 0,4 года.
Список использованных источников:
1. Фролов К.В. Избранные труды: в двух томах [Текст] / К. В. Фролов. -Москва : Наука, 2007, Т.2. - 522с.
2. Базаров В.П. Обоснование параметров нелинейных упругих подвесок рабочих органов культивато-ров:Автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.20.01 Базаров Валерий Павлович; Всесоюзный ордена «Знак почета» сельскохозяйственный институт заочного образования. - М., 1985. - 18 с.
3. Бабицкий Л.Ф. Основы научных исследований [Текст] /Л.Ф. Бабицкий, В.М. Булгаков, Д.Г. Войтюк, В.И. Рябец. - К.: НАУ. - 1999. - 228с.
4. Дубровский А.А. Вибрационная техника в сельском хозяйстве. М.: Машиностроение, 1968. - 204 с.
5. Косачев Г.Г. Экономическая оценка сельскохозяйственной техники [Текст]. - М.: Колос, 1978. - 240с.
References:
1. Frolov K.V. Selected works: in two volumes [Text] / K. V. Frolov. -Moscow: Nauka, 2007, Vol.2-522p.
2. Bazarov V.P. Substantiation of parameters ofnonlinear elastic suspensions of working bodies of cultivators: Autoref. dis. ... Candidate of Technical Sciences: 05.20.01 Bazarov Valery Pavlovich; All-Union Order "Badge of Honor" agricultural Institute of Correspondence Education. - M., 1985. - 18 p.
3. Babitsky L.F. Fundamentals of scientific research [Text] / L.F. Babitsky, V.M. Bulgakov, D.G. Voityuk, V.I. Ryabets. - K.: NAU. - 1999. - 228p.
4. Dubrovsky A.A. Vibration technology in agriculture. Moscow: Mashinostroenie, 1968. - 204 p.
5. Kosachev G.G. Economic assessment of agricultural machinery [Text]. - M.: Kolos, 1978 - 240 p.
Сведения об авторах: Information about the authors:
Белов Александр Викторович - Belov Alexander Viktorovich -
старший лаборант кафедры техниче- senior laboratory assistant of the
100
ских систем в агробизнесе Института «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler. ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И.Вернадского».
Department of the Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotech-nological academy" of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, Institute "Agro-technological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
101
