CC BY
17
УДК 631.319.07
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ ТЯГОВО-ПРИВОДНЫМ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИМ АГРЕГАТОМ
Ю. А. Савельев, доктор технических наук, профессор;
П. А. Ишкин, кандидат технических наук, доцент; М. А. Петров, инженер
ФГБОУ ВО Самарская ГСХА, Россия, т. 8(846-63) 46-2-31, e-mail: [email protected]
В статье приводятся теоретические исследования влияния уплотнения почвы движителями трактора при использовании тяговых и тягово-приводных машинотракторных агрегатов. Теоретически определены оптимальный сцепной вес трактора для его работы, как в тяговом режиме, так и в тягово-приводном. В результате сравнения между собой оптимальных сцепных весов, выявлено преимущество применения тягово-приводного способа агрегатирования, позволяющего использовать тракторы с меньшей эксплуатационной массой и за счет этого снизить уплотнение почвы. Установлено, что эффективность снижения уплотняющего действия трактора зависит от КПД использования касательной силы приводных батарей дисковых рабочих органов на создание толкающего усилия и доли мощности двигателя, используемой на привод рабочих органов. С учетом этого, разработано и изготовлено орудие для ранневесенней поверхностной обработки почвы, обеспечивающее качественную обработку почвы и низкое тяговое сопротивление при работе на поле с низкой несущей способностью почвы в ранневесенний период.
Ключевые слова: движитель трактора, уплотнение, почва, тяговое усилие, сцепной вес, тягово-приводное орудие.
Введение.
Растущий уровень интенсификации в отрасли растениеводства связан с увеличением количества технологических проходов сельскохозяйственной техники по полю, что ведет к деградации плодородного слоя почвы из-за переуплотнения и возникновения эрозионных процессов. Эти негативные процессы усугубляются современной тенденцией развития сельхозмашиностроения, направленной на повышение производительности машинотракторных агрегатов за счет увеличения энергонасыщенности и массы тракторов. В результате технологического прохода таких агрегатов, пластические деформации почвы распространяются на глубину 1 метр и более, что кратно превышает максимальную глубину рыхления современными чи-зельными орудиями. Кроме того, глубокие слои почвы слабо подвержены естественным процессам разуплотнения от промерзания в зимний период и набухания от влаги осадков в весенний и осенний периоды. Все это приводит к формированию уплотненного горизонта почвы ниже обрабатываемого слоя, преграждающего доступ растений к внутрипочвенным запасам влаги, которые часто являются единственным источником влаги в засушливых условиях зоны Среднего Поволжья.
В связи с этим возникает необходимость изменения вектора развития сельхозмашиностроения и направления его не
на создание тяжелых энергонасыщенных машинотракторных агрегатов, а на снижение их массы и повышение энергоэффективности за счет применения тягово-приводных почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами, не создающих высоких тяговых сопротивлений и не требующих большого тягово-сцепного веса агрегатируемого трактора.
Еще одним потенциальным преимуществом тягово-приводных почвообрабатывающих орудий является возможность их работы на более влажных почвах в ранне-весенний период по сравнению с тяговыми орудиями, что позволит раньше создать оптимальные условия для сохранения большего количества накопленной за осенне-зимний период влаги. Данного эффекта можно достичь за счет придания поверхностному слою почвы (0,06-0,08 м) рыхлого мелкокомковатого состояния, выполняющего роль мульчирующего слоя и препятствующего транспортированию влаги к поверхности и ее быстрому испарению [1]. «Выход» в поле почвообрабатывающих агрегатов для закрытия влаги сдерживает низкая несущая способность почвы ранне-весеннего периода, что влечет за собой непродуктивные потери почвенной влаги на испарение [2-6].
Результаты теоретических исследований.
Работа тяговых почвообрабатывающих агрегатов связана с преодолением сил со-
Рис. 1. Схема сил, действующих на тяговый почвообрабатывающий агрегат
противления движению пассивных рабочих органов (рис. 1), которые можно представить зависимостью:
Rr
' S Fp. j=i
(1)
где RТсхм - сопротивление движению тягового почвообрабатывающего орудия, Н;
Fpj - тяговое сопротивление у-ой батареи дисковых рабочих органов почвообрабатывающего орудия, Н.
F ■ =/ -О,., (2)
Р] ^ р б] ' \ !
где /р - коэффициент сопротивления качению диска в почве;
Об] - вес, приходящийся на у-ую батарею дисковых рабочих органов почвообрабатывающего орудия, Н.
Потребность в преодолении сил сопротивления движению тягового почвообрабатывающего орудия удовлетворяется тяговым усилием, создаваемым трактором [79]. Однако это усилие ограничивается либо величиной создаваемого толкающего усилия колес трактора, либо силой сцепления колес трактора с почвой:
О -F , если F -F <ф •G
р \ к кач' к кач т сц сц (3)
тяг I ф'О , если F — F >ф -О
\т си' к кач тог
где Ртяг - тяговое усилие, создаваемое трактором, Н;
^ - касательная сила на колесе трактора, Н;
Екач - сила сопротивления перекатыванию колес трактора по почве, Н;
О - сила сцепного веса трактора, Н;
срсц - коэффициент сцепления движителей трактора с почвой, Н.
В свою очередь, составляющие этой системы определяются следующими зависимостями:
F = М = Мде -imp-Vmp
" Гк Гк '
где Мк - крутящий момент на валу колеса, Нм;
r - радиус качения колеса, м;
Мдв - крутящий момент на коленчатом валу двигателя, Нм;
imp - передаточное отношение трансмиссии трактора от ДВС к колесу;
rlmp - КПД трансмиссии трактора от ДВС к колесу.
F = f G , (5)
кач J к сц ' V /
где fK - коэффициент сопротивления перекатыванию колес трактора по почве;
°сц =mmp g , (6)
где mmp - эксплуатационная масса трактора (с балластным грузом), кг;
g=9,8iM/c2 - ускорение свободного падения (const).
При обеспечении минимального уплотнения почвы ходовой системой трактора за счет обеспечения минимально необходимого сцепного веса трактора в тяговом почвообрабатывающем агрегате, эффективная реализация мощности двигателя трактора возможна при условии:
F -F =ф G (7)
к кач сц сц
Нива Поволжья № 2 (47) май 2018 135
С учетом зависимостей (3) и (4) условие (6) запишется в виде
M, -i -п
дв тр 'тр - f -G =а> -G (8)
J к сц Т сц сц \ f
Выразим Gc4 из условия (8) и определим оптимальный сцепной вес трактора для его работы в тяговом режиме:
M, -i -п
G _ дв тр imp (9)
СЦ Гк •( /к +Фсц ) '
Работа почвообрабатывающего агрегата на поле с низкой несущей способностью почвы в ранневесенний период возможна только облегченным трактором при обеспечении достаточного тягово-сцепного усилия, превышающего тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины. Этого можно достичь только за счет применения тягово-приводных почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами [10, 11].
В случае применения тягово-приводно-го агрегата (рис. 2), сопротивление движению активных рабочих органов определится следующей зависимостью:
R _yF -YF
ТПсхм / j p j / j кр
(10)
j_i
j_i
где RТПсхм - сопротивление движению тяго-во-приводного почвообраба-тывающего орудия, Н;
Fpj - тяговое сопротивление у-ой батареи дисковых рабочих органов почвообрабатывающего орудия, Н;
F . - касательная сила на /'-ой бата-
KpJ J
реи приводных дисковых рабочих органов тягово-приводного почвообрабатывающего орудия, Н.
F . _
Kpj
мб. k -Мд -i .-п -п
^ • дв npj !пр 1тлк
6J .
(11)
Гб^ Гб^
где Mбj - крутящий момент на валу у-ой
батареи дисковых рабочих органов почвообрабатывающего орудия, Нм;
- радиус качения у-ой батареи дисковых рабочих органов, м;
- передаточное отношение трансмиссии от ДВС к у-ой батареи дисковых рабочих органов;
Г1пр - КПД трансмиссии от ДВС к у-ой батареи дисковых рабочих органов.
т]тлк - КПД использования касательной силы у-ой батареи дисковых рабочих органов на создание толкающего усилия.
knр - коэффициент, равный доли мощности двигателя, используемый на привод рабочих органов;
M i
k _ вом вом
пр~ Mb
(12)
где Meом - крутящий момент на валу ВОМ трактора, Нм;
геом - передаточное отношение трансмиссии трактора от ДВС к ВОМ;
Учитывая, что часть крутящего момента коленчатого вала ДВС трактора будет расходоваться на привод дисковых рабо-
Рис. 2. Схема сил, действующих на тягово-приводной почвообрабатывающий агрегат
Рис. 3. Орудие для ранневесенней поверхностной обработки почвы
чих органов тягово-приводного орудия [12, 13], тяговое усилие трактора определится зависимостью:
С учетом зависимостей (4), (11), (14) и (15) условие (16) запишется в виде:
р' =F/ —F, ,
тяг к кач '
(13) УМ^тр ^рМ^—^тш =9& (17)
где Ртягг - тяговое усилие трактора при работе с тягово-приводным почвообрабатывающим орудием, Н;
¥'к - касательная сила на колесе трактора при работе с тягово-приводным почвообрабатывающим орудием, Н;
Р'шт - сила сопротивления перекатыванию колес трактора по почве при работе с тягово-приводным почвообрабатывающим орудием, Н.
Учитывая создаваемое толкающее усилие приводных рабочих органов, составляющие формулы (13) можно представить в виде
'к ]=1 Гб ]
Выразим О'сц из условия (17) и определим оптимальный сцепной вес трактора для работы с тягово-приводным орудием:
О.
Мв
Фсц ^ ^к
(1—к ут-н —к .УоЦ-.п
V1 *пр) 1тр %р Чпр 'I,
]=1 Гб]
(18)
р/=(1—кпр у рк —у ^
кР]
]=1
F/ = /■ О' ,
кач •■> к си '
(14)
(15)
Соотнеся между собой оптимальный
сцепной вес трактора О'сц для работы с
тягово-приводным орудием и оптимальный
сцепной вес трактора Осц для работы в
тяговом режиме, можно теоретически определить кратность снижения уплотняющего усилия трактора на почву за счет применения приводных рабочих органов:
О
О
где Ос - величина сцепного веса трактора,
у
"" тяг
необходимая для создания Рт:
Для обеспечении минимального уровня уплотнения почвы ходовой системой трактора за счет обеспечения минимально необходимого сцепного веса трактора в тяго-во-приводном почвообрабатывающем агрегате эффективная реализация мощности двигателя трактора возможна при условии:
F' — F^ =т .О' .
к кач т сц сц
(16)
. (1~кпр ) Нтр —кпр У ГТ' Нпр ■ Нтлк . (19)
сц ^тр Нтр
Анализ полученной зависимости показывает, что снижение уплотняющего действия трактора на почву можно добиться применением приводных почвообрабатывающих органов, полностью компенсирующих тяговое сопротивление своему перемещению в почве за счет толкающего усилия от их привода. При этом эффективность снижения уплотняющего действия трактора зависит от КПД использования касательной силы батарей дисковых рабо-
к
Нива Поволжья № 2 (47) май 2018 137
чих органов на создание толкающего усилия и доли мощности двигателя, используемой на привод рабочих органов.
Описание тягово-приводного орудия.
Для обеспечения возможности работы почвообрабатывающего агрегата на поле с низкой несущей способностью почвы в ранневесенний период и максимального сохранения в почве влаги, накопленной за осенне-зимний период, нами разработано и изготовлено орудие для ранневесенней поверхностной обработки почвы, обеспечивающее качественную обработку почвы и низкое тяговое сопротивление [14, 15].
Орудие для ранневесенней обработки почвы (рис. 3) содержит приводные ротационные рабочие органы - игольчатые диски, которые расположены в два ряда.
Орудие оснащено коническим редуктором, входной вал которого соединен с синхронным валом отбора мощности трактора карданным валом, а на выходном валу редуктора установлены сменные звездочки для изменения и оптимизации передаточного отношения привода ротационных рабочих органов. Ряды рабочих органов расположены перпендикулярно направлению движения орудия в шахматном порядке, и выполнены в виде батарей игольчатых дисков с иглами эвольвентной кривизны (рис. 4). В касательных плоскостях на выпуклой стороне игл рабочих органов переднего ряда закреплены рыхлительно-несущие элементы в форме равнобедренного треугольника, а на иглах рабочих органов заднего ряда закреплены рыхли-
тельные элементы, также в форме равнобедренного треугольника.
аРыхлительно-несущие элементы рабочих органов переднего ряда и рыхли-тельные элементы рабочих органов заднего ряда позволяют повысить КПД использования касательной силы батарей дисковых рабочих органов на создание толкающего усилия и увеличить долю мощности двигателя, используемой на привод рабочих органов, что обеспечивает эффективное снижение уплотняющего действия трактора.
Вывод.
Эффективное применение современной энергонасыщенной тракторной энергетики без усугубления негативного воздействия ходовых систем на почву возможно за счет применения тягово-приводных почвообрабатывающих орудий. Проведенный теоретический анализ показал, что передача части мощности посредством передачи крутящего момента на рабочие органы орудия, снижает его тяговое сопротивление, что уменьшает результирующее уплотняющее усилие и позволяет дополнительно снизить сцепной вес трактора, а, следовательно, снизить негативное воздействие ходовых систем на почву. Эффективность снижение уплотняющего действия трактора можно повысить за счет повышения КПД использования касательной силы батарей дисковых рабочих органов на создание толкающего усилия и увеличения доли мощности двигателя, используемой на привод рабочих органов.
Рис. 4. Ротационные рабочие органы: а - переднего ряда; б - заднего ряда
Литература
1. Земледелие в Среднем Поволжье / Г. И. Казаков [и др.]. - Москва: Колос, 2008 - 308 с.
2. Балакай, Н. И. Агротехнические противоэрозионные мероприятия // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2012. - № 3(07). - С. 78-89.
3. Научно-практическое руководство по освоению и применению технологи сберегающего земледелия / Л. В. Орлова [и др.]. - Самара, 2007. - 162 с.
4. Moisture evaporation from bare soils / Yu. M. Denisov [et al.] // Irrigation and Drainage Systems. Netherlands. - 2002. - № 16. -P.175-182.
5.Kalma, J. D. Estimating land surface evaporation: A review of methods using remotely sensed surface temperature data / J. D. Kalma, T. R. McVicar, M. F. McCabe // Surveys in Geophysics. - 2008. - № 29 - P.421-469.
6. 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.
7. Кацыгин, В. В. Почвощадящие ходовые системы / В. В. Кацыгин, А. Н. Орда // Тягово-энергетические мобильные средства для сельскохозяйственного производства. - Минск, 1985. -С. 16-27.
8. Плаксин, A. M. Энергетика машинно-тракторных агрегатов: учебное пособие / A. M. Плаксин. - Челябинск: ЧГЛУ, 2005. - 216 с.
9. 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.
10.Савельев, Ю. А. Теоретическое исследование влияния способа агрегатирования на уплотнение почвы движителями трактора / Ю. А. Савельев, П. А. Ишкин, М. А. Петров // Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сборник статей III Международной научно-практической конференции. - 2017. - С. 120-122.
11. Петров, М. А. Анализ теоретических исследований технологических параметров тягово-приводных рабочих органов / М. А. Петров, Ю. А. Савельев, П. А. Ишкин // Вклад молодых ученых в аграрную науку: материалы Международной научно-практической конференции. - 2017. - С. 254-257.
12. Мусин, Р. М. Повышение эффективности культиваторных агрегатов с движителями-рыхлителями: монография / Р. М. Мусин, Р. Р. Мингалимов. - Самара, 2012. - 156 с.
13. 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.
14. Пат. 2538810 Российская Федерация, МПК А 01 В 33/02. Орудие для поверхностной обработки почвы / П. А. Ишкин, Ю. А. Савельев, А. М. Петров, М. А. Петров; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарская гос. с.-х. академия -№ 2013146320/13; заяв. 16.10.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1. - 7 с.
15. Орудие для ранневесенней обработки почвы / Ю. А. Савельев [и др.] // Сельский механизатор: научно-произв. журнал. - 2014. - № 10. - С. 6.
Нива Поволжья № 2 (47) май 2018 139
UDK 631.319.07
REASONING FOR REDUCING SOIL COMPACTNESS WITH TRACTION-DRIVE
SOIL-TILLING MACHINE
Yu. A. Savelyev, P. A. Ishkin, candidate of technical sciences, assistant professor;
M.A. Petrov, engineer
FSBEI HE «Samara State Agricultural Academy», Russia, t. 8(846-63) 46-2-31, e-mail: [email protected]
The article presents theoretical studies of the effect of soil compaction by tractors' wheels when using traction and traction-drive machines. The optimal coupling weight of the tractor for its operation, both in the traction mode and in the traction-drive mode is theoretically determined. The advantage of applying the traction-drive method of aggregation, which allows reducing soil compaction was revealed. As a result of comparison between the optimal coupling weights, the advantage of the traction-drive method of aggregation is revealed, which makes it possible to use tractors with a lower operating weight and, as a result, to reduce soil compaction. It is established that the effectiveness of reducing the sealing action of the tractor depends on the efficiency of the use of the tangential force of the drive batteries of disk working bodies to create the thrust force and the fraction of the power of the engine used to drive the working elements. With this in mind, a tool for early spring surface tillage was developed and manufactured, which ensures high-quality soil cultivation and low traction resistance when working on a field with low soil bearing capacity in the early spring period.
Key words: tractor wheel, compaction, soil, tractive force, coupling weight, traction-drive tillage machine.
References:
1. Farming in The Middle Volga region / G. I. Kazakov [et al.]. - Moscow: Kolos, 2008 - 308 p.
2. Balakai, N. I. Agro-technical anti-erosion measures / / Scientific journal of the Russian research institute of reclamation problems. - 2012. - № 3 (07). - P. 78-89.
3. Scientific and practical guide to the development and application of technologies of conservation agriculture / L. V. Orlova [et al.]. - Ed. 1st, added and revised. - Samara, 2007. - 162 p.
4. Moisture evaporation from bare soils / Yu. M. Denisov [et al.] // Irrigation and Drainage Systems. Netherlands. - 2002. - № 16. -P.175-182.
5. Kalma, J. D. Estimating land surface evaporation: A review of methods using remotely sensed surface temperature data / J. D. Kalma, T. R. McVicar, M. F. McCabe // Surveys in Geophysics. - 2008. - № 29 - P.421-469.
6. Savelyev, Yu. A. Theoretical study of water balance of the soil and evaporation process of soil moisture / Yu. A. Savelyev, Yu. M. Dobrynin, P. A. Ishkin // Selskokhozyaistvennye mashiny I tekhnolo-gii. - 2017. - № 1. - P. 23-28.
7. Katsygin, V. V. Soil-saving running systems / V. V. Katsygin, A. N. Orda // Traction and power means for agricultural production. - Minsk, 1985. - P. 16-27.
8. Plaksin, A. M. Energy of tractors and machines: textbook / A. M. Plaksin. - Chelyabinsk: CGLU, 2005. - 216 p.
9. Guskov, A. V. Determination of the traction-coupling characteristics of the tires of the driving wheels of the tractor / Guskov A. V. // Vestnik of Kharkov national automobile and highway university. -2007. - №37. - P. 71-74.
10. Savelyev, Yu. A. Theoretical study of the influence of the method of aggregation on soil compaction with propulsion of the tractor / Yu. A. Savelyev, P. A. Ishkin, M. A. Petrov // Operation of tractor and agricultural machinery: experience, problems, innovations and prospects: collection of articles of III International scientific-practical conference. - 2017. - P. 120-122.
11. Petrov, M. A. Analysis of theoretical researches of technological parameters of traction drive operating bodies / M. A. Petrov, Yu. A. Savelyev, P. A. Ishkin // Contribution of young scientists into agricultural science: materials of International scientific-practical conference. - 2017. - P. 254-257.
12. Musin, R. M. Improving the efficiency of cultivator units with propulsion-rippers: monograph / R. M. Musin, R. R. Mingalimov. - Samara, 2012. - 156 p.
13. Mingalimov, R. R. Studies of the process of formation and use of additional driving force of the machine-tractor unit as a result of the use of propellers-rippers / R. R. Mingalimov, R. M. Musin // Vest-nik of the Ulyanovsk state agricultural academy. - 2015. - № 1 (29). - P. 126-132.
14. Pat. 2538810 Russian Federation, IPC A 01 b 33/02. Tool for soil surface tillage / P. A. Ishkin, Yu. A. Savelyev, A. M. Petrov, M. A.Petrov; applicant and patent holder of FSBEE HPT Samara state agricultural academy - No. 2013146320/13; appl. 16.10.2013; publ. 10.01.2015, Bul. No. 1. - 7 p.
15. A tool for early spring soil tillage / Yu. A. Savelyev [et al.] // Selsky mekhanizator: scientific-production journal. - 2014. - № 10. - 6 p.
