CC BY
5
Научная статья УДК 631.372:629.114.2
Сравнительный анализ способов агрегатирования комбинированных машин с полурамным трактором
Роман Олегович Сурин, Евгений Евгеньевич Кузнецов, Сергей Васильевич Щитов
Дальневосточный государственный аграрный университет, г. Благовещенск, Россия
Аннотация. Особенностью Амурской области является высокая степень переувлажнения несущего почвенного слоя в период посева и сбора урожая. В связи с этим возникает необходимость снижения влияния осадков на плодородный слой. Эффективными приёмами являются способы улучшения водопроницаемости, снижения эффекта переуплотнения почв и формирования плужной подошвы, что позволяет снизить техногенное влияние средств механизации, сохранить плодородие, повысить урожайность и увеличить валовые сборы сельскохозяйственных культур. В статье представлены результаты теоретического исследования по обоснованию параметров воздействия на конструкцию трактора и почвенный фон перспективного устройства - фронтального прокалывателя-щелереза, предназначенного для снижения влияния природно-климатических и техногенных факторов при проведении полевых работ. Передаваемая на заднюю опору трактора вертикальная нагрузка, получаемая при перераспределении сцепного веса между опорами, позволит увеличить тягово-сцепные свойства полурамного трактора на 5 - 8 %, улучшить его проходимость, снизить буксование и техногенное воздействие ходовой системы на обрабатываемые почвы.
Ключевые слова: фронтальный прокалыватель-щелерез, полурамный трактор, движитель, поверхность движения, силовые реакции, эффективность.
Для цитирования: Сурин Р.О., Кузнецов Е.Е., Щитов С.В. Сравнительный анализ способов агрегатирования комбинированных машин с полурамным трактором // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 177 - 182.
Original article
Comparative analysis of aggregation methods of combined machines with a semi-frame tractor
Roman O. Surin, Evgeny E. Kuznetsov, Sergey V. Shitov
Far Eastern State Agrarian University, Blagoveshchensk, Russia
Abstract. A feature of the Amur Region is a high degree of waterlogging of the bearing soil layer during the sowing and harvesting periods. In this regard, there is a need to reduce the impact of precipitation on the fertile layer. Effective methods are ways to improve water permeability, reduce the effect of soil overconsoli-dation and the formation of a plow pan, which can reduce the technogenic impact of mechanization, maintain fertility, increase yields and increase gross crop yields. The article presents the results of a theoretical study to substantiate the parameters of the impact on the tractor design and the soil background of a promising device - a frontal piercer-slitter, designed to reduce the influence of natural, climatic and technogenic factors during field work. The vertical load transmitted to the rear support of the tractor, obtained by redistributing the coupling weight between the supports, will increase the traction and coupling properties of the semi-frame tractor by 5-8 %, improve its cross-country ability, reduce slipping and the technogenic impact of the undercarriage system on cultivated soils.
Keywords: front-end piercing machine, semi-frame tractor, mover, movement surface, force reactions, efficiency.
For citation: Surin R.O., Kuznetsov E.E., Shitov S.V. Comparative analysis of aggregation methods of combined machines with a semi-frame tractor. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 177182. (In Russ.).
Неоднородность и специфичность физико-географических и естественно-климатических условий Амурской области привели к формированию во всём регионе сложного в генетическом плане покровно-плодородного слоя почвы. При этом значительное влияние на урожайность и производство сельскохозяйственных культур в области оказывает наличие почти на всей территории региона глинозёмов высокой степени дисперсности, что обусловливает формирование в плодородном слое твёрдого подстилающего глинистого слоя различной толщины, так как затрудняется проникновение влаги по всей глубине. В связи с этим в результате выпадения большого количества осадков на полях образуются зоны
повышенной влажности и заболоченные участки различных размеров, снижающие полезные свойства посевных площадей.
Эмпирическими наблюдениями установлено, что на нынешнем этапе развития региональное земледелие, основанное на традиционных технологиях возделывания, испытывает ряд негативных последствий интенсификации производства. Особенно часто отмечается снижение урожайности при переуплотнении почвы ходовыми системами колёсных энергетических средств и агрегатируемых машин. Выявлено, что при проведении всех мероприятий по возделыванию сельскохозяйственных культур различные машины проходят по полю от 5 до
15 раз, иногда след в след, что отрицательно влияет на физико-механические свойства почвы, приводит к увеличению энергозатрат на её обработку и снижению урожая сельскохозяйственных культур.
Материал и методы. В современных условиях снижение техногенного воздействия движителей на почву реализовано совмещением нескольких полевых операций за один проход агрегата и применением комбинированных почвообрабатывающих машин. Однако их использование приводит к значительному увеличению тягового сопротивления агрегатов. Во избежание снижения скорости во время посева и обработки почвы, а также уменьшения ширины захвата машин тракторы должны быть достаточно мощными и энергонасыщенными.
Современный уровень средств механизации агропромышленного комплекса региона позволяет выбрать из имеющейся линейки энергетических средств наиболее подходящий и надёжный, способный применяться для комбинированных полевых машин, колёсный трактор полурамной компоновочной конструкции класса 5 - 8 типа «Кировец», «Джон Дир» или «Версатайл».
Комбинированные машинно-тракторные агрегаты (МТА) при этом будут обеспечивать:
- возможность подготовки почвы для посева за один проход;
- универсальность работы на любых типах почв при высоких показателях влажности и глубины обработки;
- лёгкость и простоту конструкций, совмещённую с достаточной надёжностью;
- хорошую курсовую и траекторную устойчивость, приспособленность к неровностям рельефа поля;
- совместимость рабочих органов отдельных машин, позволяющую их комбинировать и агрегатировать.
Рис. 1 - Схема сил, действующих на полурамный трактор в общем случае при равномерном прямолинейном движении
В целях качественного анализа приспособленности энергонасыщенного полурамного трактора к агрегатированию комбинированными сельскохозяйственными орудиями рассмотрим его конструктивные особенности. Для этого определим распределение вертикальных составляющих реакций поверхности почвы на колёсный полурамный трактор в серийном варианте согласно принципиальной схеме, предложенной на рисунке 1.
На рисунке 1 Уз, Уп - вертикальные реакции почвы на заднюю и переднюю опоры колёсного полурамного трактора, Н; хз, хп - горизонтальные реакции почвы на заднюю и переднюю опоры колёсного полурамного трактора, Н; С - эксплуатационный вес трактора, кН; Сз, Сп - вес задней и передней полурамы трактора, Н; В - продольная база колёсного полурамного трактора, м; Ьз -расстояние от задней опоры до вертикальной проекции точки расположения центра тяжести задней полурамы трактора, м; Ьп - расстояние от передней опоры до вертикальной проекции точки расположения центра тяжести задней полурамы трактора, м; ац - расстояние от центра тяжести трактора до заднего колеса, м; Икр - ордината точки прицепа, м.
На тягово-сцепные свойства и проходимость колёсного полурамного энергетического средства при работе с различными сельскохозяйственными орудиями будет оказывать огромное влияние распределение вертикальных нагрузок и крутящих моментов на передний и задний мосты в зависимости от развиваемой трактором касательной силы тяги в конкретных условиях эксплуатации.
Как правило, изменение вертикальных нагрузок на мостах от касательной силы тяги будет существенно влиять на тягово-сцепные характеристики трактора. Когда передние колёса трактора в ходе движения или проведения работ разгружаются, то задние аналогично нагружаются, т.е. происходит произвольное перераспределение веса по осям.
Для определения искомых величин используем методику составления уравнений равновесия для плоской системы сил согласно схеме на рисунке 1:
2^=0 Уз-С3-Сп-уп = 0; (1) £ ЛСД) = О С3Ь3 + СП(В- Ьп)—упВ = 0; (2) Е АВД)= 0 узв - Спйп - С3(В - Ь3) = 0. (3) Из выражения (2) находим выражение для определения вертикальной составляющей силовой реакции поверхности на переднюю опору трактора:
^ = |-(с-ац)-(рк-лкр)-м/| (4)
Из выражения (3) получаем вертикальную составляющую силовой реакции поверхности движения на заднюю опору трактора:
у _ р-(В-ац)-(Рк-Ькр)-м/| (5)
где - момент сопротивления качения трактора, который определяется по формуле:
Мг = Уп-ап + У3- а3, (6)
где а - смещение опорных реакций при движении трактора, м.
Полученные уравнения позволяют анализировать изменение вертикальных нагрузок и крутящих моментов на ведущих мостах колёсного энергетического средства в зависимости от развиваемой силы тяги с погрешностью до 5 %.
Для сравнения рассмотрим действие сил на МТА со стандартной схемой расстановки комбинированной машины при заднем фронтальном агрегатировании трактора (рис. 2).
На рисунке 2 С, Сп, Сс - вес трактора, прицепного устройства, сеялки, Н; У^ У3, У4 -силовые вертикальные реакции поверхности в соответствующих точках, Н; Ыс - силовая реакция внутренней связи в точке С, Н; хк и Ук - силовые реакции шарнира в точке к, Н; В - продольная колёсная база трактора, м; а -расстояние от центра тяжести трактора до задней опоры-движителя трактора, м; с - расстояние от задней опоры-движителя трактора до точки С, м; Ь - длина прицепного устройства, м; Р -расстояние от точек приложения вертикальных реакций поверхности на раму прицепного устройства, м; п - расстояние от шарнира к до точки 3 приложения вертикальной реакции поверхности на секцию и раму прицепного устройства, м; d - расстояние от центра тяжести прицепного устройства до шарнира к, м; f - расстояние от центра тяжести прицепного устройства до точки приложения вертикальной реакции поверхности рамы сеялки в точке 4, м; И - расстояние от поверхности почвы до навески, м.
Далее составляем уравнение равновесия для частей составной конструкции комбинированного агрегата.
1) уравнение равновесия для трактора: ^ Рку=0У1-С + У2-^ = 0
^ ММ = 0-С(В-а) + У2В - ЫС(В + с) = 0 (7)
= 0-У1В + Са- Ысс = о;
2) уравнение равновесия для прицепного устройства:
^ Мс(^) = 0-С(Ь-(1)+УкЬ = 0 (8)
3) уравнение равновесия сеялки:
^Рку=0У3-Ук-Сс + У4 = 0
£ М&ч) = 0Укп- Сс(Р/) + У4Р = О (9) £ мм = 0-У3Р + Ук(Рп) + СсГ = 0.
Решив систему уравнений (7), (8), (9), определим:
а) силовую реакцию внутренней связи в точке С:
N =9а*
(10)
б) силовую реакцию шарнира в точке к:
Ук = Сп-Мс = (11)
в) силовые вертикальные реакции поверхности в соответствующих точках:
(12)
С(В-а)+ЛГс(В+с) _ С {В—а) впй(В+с)
у _ GaNcc _Ga Q dc 1 В В пьв'
У-> =
+ ■
ьв
(13)
у _ Yk(.P+n)+Gcf _ (b-d)(p+n) Gcf (14)
3 р п bp Р ' '
У _ Gc(P-f)-Yn _ Gc{P-f) Gn(b—d)n (15) 4 Р Р ЬР'
установленным комбинированным устройством при заднем фронтальном агрегатировании в рабочем положении
Полученные математические выражения позволяют нам определить силовые реакции, возникающие в МТА с прицепным комбинирующим устройством в рабочем положении при фронтальном заднем агрегатировании.
Использование данной схемы (рис. 2) с колёсным полурамным энергетическим средством в климатических условиях Амурской области значительно затруднено, так как сцепные свойства задних колёс незначительны, происходит проскальзывание колёс в почве, ввиду того что задняя полурама значительно легче передней, оставляет после себя глубокую колею и подвержена влиянию курсового отклонения, что негативно сказывается на физико-механических характеристиках почвы, скоростях движения, буксовании и качестве проведения полевых работ [1, 2].
Результаты и обсуждение. Исходя из глубокого анализа проведённых ранее исследований [3 - 7], нами была предложена конструкция фронтального прокалывателя-щелереза по патенту РФ № 2754595, основные характеристики и принцип работы которого подробно описаны [8].
Определим вертикальные составляющие силовых реакций поверхности почвы на колёсный полурамный трактор с установленным предложенным фронтальным прокалывателем-щелерезом оригинальной конструкции в рабочем положении (рис. 3) [9].
На рисунке 3 Уп', Уз', - вертикальные реакции почвы на заднюю и переднюю опоры колёсного полурамного трактора, Н; Сщ - вес лучеобразных прокалывающих рабочих органов, Н; Ср - вес пространственной рамы, Н; Ь - расстояние от точки с до передней опоры трактора, м; И - расстояние от точки С до поверхности почвы, м; Иг - расстояние от поверхности почвы до точки прокалывания почвенного пласта, м; Рр - усилие в нагружающем гидроцилиндре для удержания устройства в рабочем положении, м;
^г0р - горизонтальное сопротивление почвы, действующее на лучеобразный прокалывающий рабочий орган, Н; Квер - вертикальное силовое сопротивление почвы прокалыванию, действующее на лучеобразный прокалывающий рабочий орган, Н.
Согласно рисунку 3 составим уравнения равновесия для элемента составной конструкции трактор:
ЪРкх = 0 -*сРрС05 (Р + Ф) + ЯГОр = 0; (16)
Т.Рку = 0 Я-Рр8ш(р + <р)-
_ — + двер — 0;
(17)
(18)
£ МС(РК) = 0 Рр Бт(|3 + ф) 1сОБР + брасоБР + + Сщ1со5р-Дгор(/1 + ¿этр) - ДверЬсоэР = 0.
Из выражения (18) определим рабочее усилие в нагружающем гидроцилиндре при работе устройства:
рр =
?гоРС1г+^1пр)+ЯверЬС05р--СрОСОЗр-СщЬСОБр
(19)
5т(3+Ср)гС05Р
Из выражений (16) и (17) определим реакции в точке С:
Ус = Рр бшСР + ф) + бр + бщ - йвер, или с учётом выражения (19):
ДГ0р(/1Г + ^¡пР) + Двер1С05р -—СрасовР — Сщ1созР
Ус =
I СОБР
+ (20)
+ бр + — Двер
Тогда х'с = Рр совСР + ф) + йгор выражения (19):
йг0р(йг+/,ЗтР)+Явер£С05Р-
х
(21)
с гсоэр
X С1ё(р + ф) + йГор.
Составим уравнения равновесия для элемента составной конструкции трактора прокалыватель-щелерез:
Рис. 3 - Схема к определению реакций поверхности почвы на колёсный полурамный трактор с установленным фронтальным прокалывателем-щелерезом в рабочем состоянии
(22) (23)
Еаду=о с3ь3 + сп(в-ьп)-
-у№-ГсК-ус(В + Ь) = О;
ЕМ2(^) = о кв-спьп-
-С3(В - Ь3) - - усъ = О.
Из выражения (22) определяем вертикальную составляющую реакции почвы на переднюю опору трактора:
в3Ъ3 + СП(В - Ьп) - х'сЛ. - у'с(В + Ь)
Уп =
в
= С3Й3 + Gn(B - Ьп) x'ch + у'с(В + Ь) В В '
Или с учётом выражений (20) и (21): G3b3 + Gn(B - bn)
Уп =
В
/Krop(/lr+Lsinß)+RBepLcOSß\
^ -Gpacosß-G.^cosß ) . . *--* Ctg(ß + ф) + Ärop/l +
или
i COS/?
(Rrop(hr+Lsinß)+ÄBepLcosß--Gpacosß-G4Lcosß leosß
+ (Gn + - ÄBep) ' G3b3 + Gn(S - bn)
)
(B+b)
(B+b)
yi = ■
ß
<йгор(/ir + Lsinß) + fiBepLcosß\ ^ —Gpacosß — GI4Lcosß )
l cosß В
[ctg(ß + ф) /1 +
+В + Ь]+Дгор- +
h В
(ß + Ь)
(24)
(СП + (Гщ ~ йвер) '
Из выражения (23) определяем вертикальную составляющую реакции почвы на заднюю опору трактора:
СПЬП + С3(В - Ь3) + у^Ь * =-в- В '
или с учётом выражений (20) и (21): СПЬП + С3(В - Ь3) .
Уз =■
в
(RгорС^г + isinß) + ÄBepLcosß i —Gpacosß — Gn,Lcosß ,
Z cos/? В
+^rop g +
или
ЯгорС^г + ¿sinß) + ÄBepLcosß -> —Gpacosß — GniLcosß j
Zcosß
+(Gn + Gm — ÄBep) • -,
b
B +
Gnbn + G3(B - й3) Уз =---+
Rrop(ftr+Lsinß)+ \ +KBepLcosß- I - Gp acos ß - СщЬсоэ ß/
i cos/? В
В
(ctgCß + ф) /1 + fc) +
+йгор д + (Gn + — RB
PJ g
(25)
ctg(ß + ф) +
lrop g 1 v"n 1 "щ "вер/
Исходя из проведённого анализа полученных выражений (4) и (24) и выражений (5) и (25) можно сделать соответствующий вывод, что при работе колёсного полурамного энергетического средства с предлагаемым нами устройством фронтального прокалывателя-щелереза передняя опора трактора будет разгружаться на величину, полученную уравнением (24), а задняя опора трактора загружаться на величину, полученную уравнением (25).
Вывод. По результатам исследования установлено, что передаваемая на заднюю опору трактора вертикальная нагрузка, получаемая при перераспределении сцепного веса между опорами, позволит значительно увеличить тягово-сцепные свойства полурамного трактора, улучшить его проходимость, снизить буксование и техногенное воздействие ходовой системы на обрабатываемые почвы.
В ходе проведения математического моделирования в программе «Blender» процессов, возникающих в конструкции перспективного комбинированного агрегата, установлено, что предложенное техническое решение перераспределяет сцепной вес и догружает движители задней полурамы трактора в пределах 10 - 14 %, что позволит увеличить тягово-сцепные свойства трактора на 5 - 8 %.
Список источников
1. Кузнецов Е.Е., Щитов С.В., Поликутина Е.С. Повышение продольно-поперечной устойчивости и снижение техногенного воздействия на почву колёсных мобильных энергетических средств: монография. Благовещенск: Изд-во Дальневост. гос. аграр. ун-та, 2020. 148 с.
2. Кузнецов Е.Е., Щитов С.В. Повышение эффективности использования мобильных энергетических средств в технологии возделывания сельскохозяйственных культур: монография. Благовещенск, 2017. 272 с.
3. Алдошин Н.В., Пехутов А.С. Повышение производительности при перевозке сельскохозяйственных грузов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 4. С. 26 - 27.
4. Беляев В.И., Вольнов В.В. Ресурсосберегающие технологии возделывания зерновых культур в Алтайском крае. Монография. Барнаул, 2010. 178 с.
5. Методы оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров тракторных транспортно-техно-логических агрегатов: монография / Н.Ф. Скурятин, Е.В. Соловьёв, С.В. Соловьёв и др. М.; Белгород, 2020. 129 с.
6. Перераспределение сцепного веса в составе машинно-тракторного агрегата при проведении пред-
посевной обработки / С.В. Щитов, П.В. Тихончук, Е.Е. Кузнецов и др. // Дальневосточный аграрный вестник. 2017. № 1 (41). С. 88 - 95.
7. Расчёт реакций конструкции фронтального прокалывателя-щелереза при работе на склонах / Р.О. Сурин, Е.Е. Кузнецов, С.В. Щитов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 2 (94). С. 155 - 160.
8. Перспективные конструктивные схемы сельскохозяйственных машин для проведения полевой обработки почвы / Р.О. Сурин, А.Е. Слепенков, С.В. Щитов и др. // Евразийское Научное Объединение. 2020. № 7-2 (65). С. 132 - 135.
9. Влияние установки прокалывателя-щелевателя на распределение нормальных реакций почвы и нагрузки на движители полурамного трактора / Р.О. Сурин, Е.Е. Кузнецов, С.В. Щитов и др. // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. 2021. № 2. [Электронный. ресурс]. URL: http://agroecoinfo.ru/ STATYI/2021/2/st_217 .pdf.
References
1. Kuznetsov E.E., Shchitov S.V., Polikutina E.S. Improving the longitudinal-transverse stability and reducing the technogenic impact on the soil of wheeled mobile power vehicles: monograph. Blagoveshchensk: Dalnevost Publishing House. state agrarian un-ta, 2020. 148 p.
2. Kuznetsov E.E., Shitov S.V. Improving the efficiency of the use of mobile energy in the technology of
cultivating agricultural crops: monograph. Blagoveshchensk, 2017. 272 p.
3. Aldoshin N.V., Pekhutov A.S. Improving productivity in the transportation of agricultural goods. Mechanization and Electrification of Agriculture. 2012; 4: 26-27.
4. Belyaev V.I., Volnov V.V. Resource-saving technologies for the cultivation of grain crops in the Altai Territory. Monograph. Barnaul, 2010. 178 p.
5. Methods for optimizing the design and operational parameters of tractor transport-technological units: monograph / N.F. Skuryatin, E.V. Solovyov, S.V. Solovyov et al. M.; Belgorod, 2020. 129 p.
6. Redistribution of the coupling weight in the composition of the machine-tractor unit during pre-sowing treatment / S.V Shchitov, P.V. Tikhonchuk, E.E. Kuznetsov et al. Far East Agrarian Bulletin. 2017. 41(1): 88-95.
7. Surin R.O., Kuznetsov E.E., Shitov S.V et al. Calculation of the reactions of the design of the frontal piercer-slit cutter when working on slopes. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 94(2): 155-160.
8. Perspective design schemes of agricultural machines for field tillage / R.O. Surin, A.E. Slepenkov, S.V Shchitov et al. Eurasian Scientific Association. 2020; 65(7-2): 32-135.
9. Influence of the installation of a piercer-slotter on the distribution of normal reactions of the soil and the load on the propellers of a semi-frame tractor / R.O. Surin, E.E. Kuznetsov, S.V Shchitov et al. AgroEcolnfo: Electronic scientific and production journal. 2021; 2. [Electronic resource]. URL: http://agroecoinfo.ru/STATYI/2021/2/st_217.pdf.
Роман Олегович Сурин, аспирант, roman_surin81.81@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-7667-551Х
Евгений Евгеньевич Кузнецов, доктор технических наук, доцент, ji.tor@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-0725-4444
Сергей Васильевич Щитов, доктор технических наук, профессор, shitov.sv1955@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-2409-450X
Roman O. Surin, postgraduate, roman_surin81.81@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-7667-551Х
Evgeny E. Kuznetsov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, ji.tor@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-0725-4444
Sergey V. Shitov, Doctor of Technical Sciences, Professor, shitov.sv1955@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-2409-450X
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 11.04.2022; одобрена после рецензирования 04.05.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 11.04.2022; approved after reviewing 04.05.2022; accepted for publication 11.05.2022. -♦-
