Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Общая характеристика технологий предпосевной обработки почвы 8
1.2 Анализ технических средств для предпосевной обработки почвы и их рабочих органов 12
1.2.1 Орудия и комбинированные агрегаты с пассивными рабочими органами 12
1.2.2 Орудия и комбинированные агрегаты с активными рабочими органами 24
1.2.3 Ротационные бесприводные рыхлители 27
1.3 Агротехнические требования к предпосевной обработке почвы... 32
1.4 Краткий обзор научных работ по теории ротационных почвообрабатывающих машин 34
1.5 Цель и задачи исследования 37
2 Теоретическое обоснование основных параметров комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы 39
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы 39
2.2 Обоснование основных параметров измельчающего ротора агрегата для предпосевной обработки почвы
2.3 Определение оптимальной ширины захвата комбинированно- .Q го агрегата для предпосевной обработки почвы
2.4 Экспериментально-теоретическое определение моментов инерции прикатывающего катка, приводного и измельчающе-
го роторов
3 Программа и методика экспериментальных исследований 61
3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 61
3.2 Экспериментальные установки, приборы и оборудование 61
3.3 Методика определения основных физико-механических свойств почвы 70
3.4 Методика определения тягового сопротивления рабочих органов при обработке почвы 73
3.5 Методика определения скольжения приводного ротора 74
3.6 Методика определения момента инерции приводного, измельчающего роторов и прикатывающего катка 75
4 Результаты экспериментальных исследований по определению конструктивно-технологических па раметров агрегата для предпосевной обработки почвы 77
4.1 Сравнительные исследования агрегатов для предпосевной обработки почвы 77
4.2 Оценка конструктивно-технологической схемы комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы 81
4.3 Определение оптимальных параметров и режимов работы комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы... 83
4.3.1 Определение оптимальных параметров почвозацепов приводного ротора 83
4.3.2 Определение оптимальных параметров и режимов работы приводного ротора 94
4.3.3 Сравнительные исследования работы фрезерного и тросового измельчающего роторов 97
4.3.4 Определение оптимальных параметров и режимов работы тросового измельчающего ротора 100
4.4 Сравнительные исследования комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы 103
5 Реализация результатов исследований 107
5.1 Сравнительные испытания опытного образца агрегата для предпосевной обработки почвы 107
5.2 Экономическая оценка использования опытного образца агрегата для предпосевной обработки почвы 111
5.3 Энергетическая оценка использования опытного образца агрегата для предпосевной обработки почвы 117
Основные выводы 122
Литература 124
Приложения 135
- Орудия и комбинированные агрегаты с пассивными рабочими органами
- Обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы
- Методика определения основных физико-механических свойств почвы
- Сравнительные исследования агрегатов для предпосевной обработки почвы
Введение к работе
Обеспечение потребностей регионов в качественной, достаточной по объёму и ассортименту продукции при соблюдении требований энергоресурсосбережения и экологической безопасности является основной задачей агропромышленного комплекса Российской Федерации. Выполнение этой задачи во многом зависит от плодородия почвы и культуры земледелия. В комплексе мероприятий по повышению плодородия почвы важнейшим звеном является её обработка. Она способствует улучшению воздушного, водного, теплового и питательного режимов почвы, в результате обработки создаются благоприятные условия для роста и развития возделываемой культуры. Правильная обработка почвы создает предпосылки для эффективного использования растительных остатков, вносимых минеральных и органических удобрений и других агротехнических мероприятий. При этом на долю механической обработки почвы приходится до 40% энергетических затрат от всего комплекса полевых работ.
Способы обработки почвы многообразны и зависят от физико-механических свойств почвы, природно-климатических условий и биологических особенностей возделываемых культур [11, 15, 40, 61, 85, 86]. В настоящее время технологии предпосевной обработки почвы, применяемые на Северо-Востоке европейской части Российской Федерации обладают значительной энергоёмкостью и не в полной мере отвечают требованиям получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур. При существующих технологиях возделывания сельскохозяйственных культур различные машины проходят по полю 10... 15 раз, в результате чего обработка почвы чрезвычайно энергоёмка, а, кроме того, ходовые системы машин уплотняют более 80 % поверхности поля [65]. Поэтому возникает необходимость сокращения числа технологических проходов за счёт применения комбинированных агрегатов, которые обеспечивают за один проход выполнение нескольких технологических операций, что снижает энергоёмкость обработки почвы и создает благоприятные условия для вегетации растений за счёт сохранения влаги в почве, лучшего качества поверхностной обработки почвы [13].
5 Основой при разработке новой сельскохозяйственной техники является
высокая производительность при минимуме затрат без снижения агротехнических показателей (степень крошения почвы, ее плотность, полнота уничтожения сорных растений и др.).
В связи с этим разработка агрегата для предпосевной обработки почвы, при использовании которого более рационально используются энергоресурсы, увеличивается производительность труда и снижается себестоимость продукции, уменьшается вредное воздействие ходовых систем тракторов и сельскохозяйственных машин на структуру и плотность почвы является актуальной задачей.
Целью исследования данной работы является снижение энергоёмкости предпосевной обработки почвы путём совершенствования конструкции комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы и оптимизации его основных параметров.
Объектами исследования являются технологический процесс и агрегат для предпосевной обработки почвы, его рабочие органы.
Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования.
Научную новизну работы составляют:
усовершенствованная конструктивно-технологическая схема комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы (патент №2301512 РФ на изобретение), предусматривающая установку культиваторных лап между приводным и измельчающим роторами, в качестве измельчающего ротора которого могут использоваться как фрезерный барабан с Г-образными ножами ротационного рыхлителя РБР-4А, так и тросовый рабочий орган (патент № 71207 РФ на полезную модель);
аналитические зависимости, описывающие движение агрегата для предпосевной обработки почвы в горизонтальной плоскости и позволяющие определить его оптимальную ширину захвата для выбранного тягового средства при заданной скорости движения машинно-тракторного агрегата, и модели регрес-
сии функционирования приводного и измельчающего роторов.
Достоверность основных выводов подтверждена экспериментальными исследованиями опытного образца агрегата для предпосевной обработки.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Усовершенствована конструктивно-технологическая схема комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы, определены оптимальные параметры его рабочих органов.
Материалы проведенных исследований использованы при разработке и изготовлении опытного образца агрегата для предпосевной обработки почвы, который используется при обработке чистых паров и предпосевной обработке почвы в НИИСХ Северо-Востока имени Н.В.Рудницкого.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях Вятской ГСХА (2007...2009 гг.), НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого (2006...2007 гг.), школе молодых ученых «Эколого-генетические основы северного растениеводства» НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого (2008 г.).
По материалам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе получены патенты РФ на изобретение и полезную модель.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого по заданию РАСХН 09.01.02. "Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства приоритетных групп продукции растениеводства", тема 09.01.02.02 "Разработать комбинированный агрегат для предпосевной обработки почвы с возможностью посева семян зерновых и кормовых культур при одновременном внесении минеральных удобрений".
На защиту выносятся следующие положения:
усовершенствованная конструктивно-технологическая схема комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы;
аналитические зависимости для определения основных параметров комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы;
- модели регрессии функционирования приводного и измельчающего ро
торов комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы;
- оптимальные конструктивно-технологические параметры комбиниро
ванного агрегата для предпосевной обработки почвы;
- результаты испытаний опытного образца агрегата для предпосевной об
работки почвы, эффективность его использования.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту С.Л.Дёмшину, доктору технических наук, старшему научному сотруднику В.Л.Андрееву, доктору технических наук, профессору А.В.Алёшкину, младшему научному сотруднику лаборатории механизации полеводства Р.Р.Нуризянову, лаборанту-исследователю Т.В.Козловой, аспиранту А.Н.Воронову за помощь и поддержку в процессе выполнения работы. Сотрудникам НИИСХ Северо-Востока имени Н.В.Рудницкого, преподавателям и аспирантам Вятской государственной сельскохозяйственной академии за ценные замечания и предложения при апробации результатов исследований.
Орудия и комбинированные агрегаты с пассивными рабочими органами
Простейшими агрегатами для предпосевной обработки почвы являются сцепки из зубовых борон. Количество следов таких борон, а также последовательность их размещения устанавливают в зависимости от состояния почвы. Если поверхность поля гребнистая, то в первом ряду размещают шлейф-бороны, а во втором - зубовые. При уплотнённой почве в первый ряд устанавливают зубовые бороны, а во второй - шлейфовые [66, 71]. Однако сцепки борон не обеспечивают качественного уничтожения сорняков и выравнивания поверхности поля, часто забиваются растительными остатками и не оказывают уплотняющего воздействия на почву.
Для осуществления предпосевной обработки в хозяйствах Евро-Северо-Восточного региона широко применяются культиваторы КПС-4 (рис. 1.1). Данные культиваторы разработаны во второй половине прошлого века и выпускаются в нескольких модификациях: КПС-4-01 - прицепной с универсальными стрельчатыми лапами; КПС-4-02 - навесной с универсальными стрельчатыми лапами; КПС-4-03 - навесной с рыхлительными лапами на дугообразных стойках; КПС-4-04 - прицепной с рыхлительными лапами на дугообразных стойках; КПС-4-05 - навесной с рыхлительными лапами на S-образных стойках [56, 93, 67]. В большинстве случаев культиваторы КПС-4 агрегатируются с зубовыми боронами БЗСС-1, для чего предусмотрены места их крепления.
При движении культиватора стрельчатые лапы 6 рыхлят верхний слой почвы, одновременно подрезая сорняки, а зубовые (или пружинные) бороны 8 разбивают комки и глыбы, закрывают щели после прохода стоек рабочих органов 6 и выравнивают поверхность поля. А.А.Вилде [56] отмечает, что при использовании этих культиваторов с зубовыми или пружинными боронами на суглинистых и глинистых почвах не обеспечивается качественного дробления комков и выравнивания поверхности поля, а верхний слой почвы не имеет необходимого уплотнения.
Для улучшения качества предпосевной обработки почвы и выравнивания поверхности поля в Казанском СХИ разработано приспособление со струнными роторами к культиватору КПС-4, которое устанавливается после стрельчатых лап. При движении агрегата струнные роторы крошат почву на глубину культивации, уничтожают сорняки и выравнивают поверхность поля [37, 54].
Аналогичное назначение и схожую конструкцию имеют навесные и прицепные комбинированные усиленные культиваторы - КУК-4; 6; 8, имеющие ширину захвата соответственно - 4, 6 и 8 м. Они содержат два ряда лап шириной захвата 330 мм и сменные приспособления в виде зубовых борон или подпружиненных рамок с катками для крошения почвы и выравнивания поверхности поля. Отличительной особенностью данных культиваторов является крепление стоек со стрельчатыми лапами в подпружиненных или жёстких кронштейнах с предохранительными элементами [40].
В ТатНИИСХ создан комплекс блочно-модульных навесных и прицепных культиваторов для предпосевной обработки почвы [16, 64, 69, 70]. Модели культиваторов имеют следующие конструктивные особенности: 2-, 3-, 4-рядное расположение рабочих органов (рыхлителей); возможность установки подрезающих лезвий или планочно-зубовых выравнивателей, а также применение винтовых прутковых катков. В качестве рабочих органов культиваторов могут использоваться универсальные стрельчатые лапы, рыхлительные лапы на S-образных или С-образных стойках. Сочетание рабочих органов выбирается в зависимости от агротехнических требований и сроков выполнения технологических операций. Наиболее распространенным среди них является агрегат КБМ-4,2Н (рис. 1.2) для тракторов тягового класса 1,4. В отличие от культиватора КПС-4 у данного культиватора рыхлительные лапы установлены на iS -образных стойках, а вместо борон БЗСС-1 использованы зубовые выравниватели и прутковые винтовые катки. - рама; 5 - выравниватель зубовый; 6 - каток прутковый подпружиненный
Аналогичное устройство имеет комбинированное почвообрабатывающее орудие по А.С. № 1727582 [1], которое состоит из последовательно установленных на раме лап, бороны с пружинными зубьями и выравнивателя. Отличительной особенностью данного орудия является шарнирное соединение с рамой при помощи поводков бороны с пружинными зубьями и жёсткое крепление выравнивателя с поводками. При движении орудия по полю лапы осуществляют рыхление почвы, при этом пружинные зубья бороны дополнительно крошат комки и вычесывают сорняки, а выравниватель разравнивает поверхность поля.
В 80-е годы XX века широкое распространение получили комбинированные почвообрабатывающие агрегаты РВК-3,6, РВК-5,4 и РВК-7,2, предназначенные для предпосевной обработки почвы.
Агрегат РВК-3,6 состоит из трубчатой рамы, к которой присоединены два поворотных бруса, на которые крепятся рыхлительные лапы на С-образных пружинных стойках. За первым рядом пружинных стоек установлен кольчато-шпоровый каток с разреженно расставленными прикатывающими дисками, идущими между следами рыхлительных лап, а за вторым рядом стоек - две секции подпружиненной шлейф-балки (выравнивающего бруса) и задний коль-чато-шпоровый каток. При работе агрегата передний ряд рыхлительных лап рыхлит почву, смещая глыбы под диски катка, которые крошат их и уплотняют почву. Второй ряд лап рыхлит и разрушает почву в междурядьях зубьев первого ряда. Подпружиненный брус выравнивает поверхность поля, а катки, расположенные за выравнивателем, равномерно уплотняют почву. Аналогичную конструкцию имеют агрегаты РВК-5,4 и РВК-7,2 [38, 46, 56, 57, 79].
В НИИСХ Северо-Востока разработан комбинированный агрегат РБВК-3,6 [61], предназначенный для рыхления, боронования, выравнивания, прика-тывания почвы и агрегатируемый с тракторами тягового класса 3,0 (рис. 1.3). Он состоит из рамы 4, включающей в себя переднюю, среднюю и заднюю части, соединённые болтами. На передней и средней части рамы закреплены поворотные брусья с двумя рядами рыхлительных рабочих органов 6, впереди которых размещены игольчатые диски 5, выравниватель 7 и транспортные колеса 9. На задней части рамы размещена секция кольчато-шпоровых катков.
Обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы
Проведённый анализ конструкций орудий и агрегатов для предпосевной обработки почвы показывает, что наибольший интерес для проведения работ по созданию агрегата для предпосевной обработки почвы для агроландшафтных условий Евро-Северо-Востока РФ представляют ротационные бесприводные рыхлители. Они превосходят орудия с пассивными рабочими органами по качеству обработки почвы, а по сравнению с фрезами обладают более простой конструкцией и имеют более высокую производительность при меньшей энергоёмкости.
На основании анализа конструкций и технических характеристик орудий и агрегатов для предпосевной обработки почвы предложена конструктивно-технологическая схема агрегата для предпосевной обработки, за основу которого принята технологическая схема ротационных бесприводных рыхлителей типа Duna-Drive фирмы «Bomford» (Англия) и РБР-4А (ВИСХОМ, СССР).
Анализ результатов государственных приемочных испытаний опытного образца рыхлителя бесприводного ротационного РБР-4А, проведённых Кировской МИС в 1990 году, свидетельствует о том, что показатели качества выполнения предпосевной обработки почвы ротационным бесприводным рыхлителем РБР-4А, фрезерным культиватором КФГ-3,6 и комбинированным агрегатом РВК-3,6 примерно одинаковы и соответствуют агротехническим требованиям. Один из основных выводов испытаний изложен следующим образом: «Эксплу-тационно-технологические показатели рыхлителя РБР-4А на уровне или выше показателей фрезерного культиватора КФГ-3,6 и агрегата РВК-3,6 за исключением коэффициента использования эксплутационного времени» вследствие низкого качества изготовления некоторых сборочных узлов [95], что подтверждает перспективность дальнейшей проработки его конструктивно-технологической схемы. В то же время основными недостатками конструктивно-технологической схемы ротационных бесприводных рыхлителей типа РБР-4А является следующее: - приводные зубья приводного ротора приводят во вращение измельчаю щий ротор с высоким коэффициентом скольжения, так как культиваторные ла пы, установленные впереди приводного ротора, нарушают целостность почвен ного монолита; - культиваторные стрельчатые лапы от культиваторов КПЭ-3,8 или КСТ-10, используемые в конструкции РБР-4А, предназначены для обработки почвы на глубину 8...16 см и вследствие своих габаритных размеров (ширина захвата лапы 410 мм, толщина стойки 25 мм) не в состоянии обеспечить качество предпосевной обработки почвы при небольшой глубине культивации и имеют более высокое удельное тяговое сопротивление по сравнению со стрельчатыми лапами от культиваторов типа КПС-4-02; - высокие энергозатраты на обработку почвы из-за того, что основное рыхление почвы производится Г-образными ножами измельчающего ротора, при фрезеровании почвы которыми значительная часть потребляемой ими мощности тратится на отбрасывание почвенной стружки. Во избежание перечисленных недостатков предложена усовершенствованная конструктивно-технологическая схема комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы [90], которая включает последовательно расположенные на раме 1 приводной ротор 2 с почвозацепами 3, культиваторные лапы 4, измельчающий ротор 6, связанный с приводным ротором ускоряющей передачей 5, защитный кожух 10 и прикатывающий каток 12 с механизмом регулировки глубины обработки 11 (рис. 2.1) (приложение А).
В качестве измельчающего ротора агрегата могут использоваться, как фрезерный ротор с Г-образными ножами от ротационного бесприводного рыхлителя РБР-4А, так и тросовый с режущими элементами в виде тросов. Измельчающий ротор тросового типа выполнен в виде вала с дисками 8 по внешнему диаметру которых имеются отверстия, через которые натянуты рабочие органы
42 в виде тросов 9, закреплённые в приспособлениях для натяжения 7, смонтированных на крайних дисках. При этом стойки культиваторных лап 4 расположены посередине междуследий почвозацепов 3 приводного ротора 2, а диски 8 измельчающего ротора 6 установлены в плоскостях вращения почвозацепов приводного ротора [89] (приложение Б).
Обработка почвы осуществляется следующим образом. При поступательном движении агрегата почвозацепы приводного ротора погружаются в почву и за счёт сцепления с ней, принудительно перекатываясь под действием тяговой силы трактора, через ускоряющую передачу приводят во вращение измельчающий ротор. При этом почвозацепы приводного ротора производят рыхление почвы полосами шириной, равной ширине почвозацепов. Это позволяет размещать культиваторные лапы по ширине между смежными рядами на расстоянии равном сумме ширины захвата культиваторнои лапы и почвозацепа, что делает возможным установку культиваторных лап с минимальным расстоянием между рядами без забивания их растительными остатками и почвой. Стрельчатые лапы подрезают и рыхлят пласт почвы в необработанных после прохода приводного ротора междурядьях. Далее режущие элементы измельчающего ротора интенсивно измельчают верхний слой почвы на глубину, превышающую на 2...4 см глубину посева семян. Защитный кожух предотвращает разбрасывание почвы, а каток производит предпосевное прикатывание и одновременно при помощи механизма регулировки глубины обработки обеспечивает заданную глубину обработки почвы.
Установка ряда культиваторных лап между приводным и измельчающим роторами позволяет сохранить сцепные свойства почвы и тем самым снизить скольжение приводного ротора, в результате чего повышается развиваемый им крутящий момент и его стабильность. Стойки культиваторных лап расположены посередине междуследий почвозацепов приводного ротора, что позволяет уменьшить размеры агрегата.
Методика определения основных физико-механических свойств почвы
На первоначальном этапе выбора конструктивно-технологической схемы агрегата проведены сравнительные исследования, в ходе которых оценивались показатели функционирования наиболее распространённых в Евро-Северо-Восточном регионе РФ агрегатов для предпосевной обработки почвы: культиватора со стрельчатыми лапами КПС-4-02, оборудованного зубовой бороной БЗСС-1; культиватора с рыхлительными лапами на пружинных стойках КБМ-7,2П «С» и ротационного бесприводного рыхлителя РБР-4А, конструктивно-технологическая схема которого вызывает наибольший интерес по результатам анализа патентных и литературных источников [8, 9].
За основной агротехнический критерий качества выполнения предпосевной обработки почвы принята степень её крошения. Для более точного определения качества обработки почвы определялось процентное содержание следующих фракций почвы (0...10, 10...25, 25...50 и более 50 мм). Кроме того, определялись удельное тяговое сопротивление агрегата, плотность и глубина обработки почвы.
Исследования проводились на среднесуглинистой дерново-подзолистой почве при твёрдости по слоям: 0...5 см - 0,9 МПа, 5... 10 см - 2,2 МПа, 10... 15 см - 2,5 МПа. Влажность почвы составляла 22,3%. Фон - участок поля после уборки картофеля. Согласно полученным данным построены зависимости изменения процентного содержания фракций почвы к (0...10, 10...25, 25...50 и более 50 мм) от скорости движения агрегата V (км/ч) для различных агрегатов предпосевной обработки почвы (рис. 4.1).
Результаты экспериментов показали, что ротационный рыхлитель РБР-4 во всём диапазоне скоростей движения осуществляет предпосевную обработку почвы в соответствии с агротехническими требованиями, то есть содержание фракции почвы размером более 50 мм не превышает 20% [46]. Культиватор КПС-4-02 с бороной БЗСС-1,0 обеспечивает данное агротехническое требова Наиболее желательной для развития растений является фракция почвы с размерами частиц 1 10 мм [18]. Содержание этой фракции при обработке поч вы рыхлителем РБР-4А в диапазоне оптимальных скоростей (7...10 км/ч) со ставляет 60...68%, что на 7...16% превышает содержание данной фракции по сле обработки почвы культиватором КПС-4-02+БЗСС-1 и на 16...21% - культи ватором КБМ-7,2П«С» (рис. 4.1, а). Содержание фракций почвы 10...25 и 25...50 мм свидетельствует о том, что при обработке почвы рыхлителем РБР-4А преобладают более мелкие частицы почвы (фракция 10...25 мм), в то время как обработка почвы орудиями с пассивными рабочими органами (культиваторы КПС-4-02 и КБМ-7,2П«С») приводит кувеличению содержания фракции 25...50 мм (рис. 4.1 б, в). Удельное тяговое сопротивление рабочих органов рыхлителя РБР-4А в диапазоне рабочих скоростей до 10 км/ч значительно меньше, чем у культиваторов с пассивными рабочими органами КПС-4+БЗСС-1 и КБМ-7,2П«С». При дальнейшем повышении скорости удельное тяговое сопротивление агрегатов с пассивными рабочими органами увеличивается более плавно, чем у ротационного рыхлителя РБР-4А (рис. 4.2, а). Это связано с тем, что на повышенных растительными остатками (рис. 4.2 в). Увеличение тягового сопротивления бесприводного ротационного рыхлителя обусловлено тем, что с ростом скорости глубина обработки оставалась постоянной. Кроме того, согласно конструктивно-технологической схеме РБР-4А в качестве измельчающего ротора использован фрезерный барабан, Г-образные ножи которого с увеличением поступательной скорости начинают вращаться с более высокой окружной скоростью, что приводит к повышению энергоёмкости фрезерования. Плотность почвы после обработки ротационным рыхлителем РБР-4А в интервале рабочих скоростей 6,1...10,7 км/ч и культиватором КБМ-7,2П«С» 6,6...10,3 км/ч изменяется от 1,10 до 1,15 г/см , что соответствует агротехническим требованиям [6]. При дальнейшем увеличении поступательной скорости происходит уменьшение плотности почвы. После прохода культиватора КПС-4-02 с бороной БЗСС-1 верхний слой почвы не имеет необходимого уплотнения и требуется проведение дополнительного прикатывания (рис. 4.2, б). При обработке почвы ротационным рыхлителем во всем диапазоне скоростей соблюдается установочная глубина обработки почвы. При этом среднее квадратичное отклонение глубины обработки составляет 0,80...0,83 см, что соответствует агротехническим требованиям (не более ±1,0 см). У орудий с пассивными рабочими органами при повышении скорости движения агрегата происходит уменьшение глубины обработки и снижается её неравномерность, но эти показатели при поступательной скорости более 6 км/ч не выходят за пределы требований к предпосевной обработке почвы (рис. 4.2, в и г).
Таким образом, бесприводной ротационный рыхлитель по сравнению с агрегатами с пассивными рабочими органами обеспечивает более качественную обработку почвы при меньших энергозатратах, что делает перспективным использование его конструктивно-технологической схемы при создании агрегата для предпосевной обработки почвы применительно к условиям Северо-Восточного региона Европейской части РФ.
Сравнительные исследования агрегатов для предпосевной обработки почвы
Наибольший коэффициент полезного действия г/ = 0,870 обеспечивается при работе диска, имеющего максимальное количество почвозацепов Nn = 10 с углом установки а„ = 40 при длине лопасти Ln = 33,3 мм и ширине tn = 40 мм. .
Для того чтобы окончательно определить конструктивные параметры рабочего органа приводного ротора, необходимо соотнести полученные оптимальные значения исследуемых факторов с эксплутационными показателями тяговых средств. Для этого требуется рассчитать максимально допустимое тяговое сопротивление одного диска приводного ротора.
В качестве тягового средства принят трактор МТЗ-82. Тяговое усилие трактора МТЗ-82 при загрузке NKp = 0,9 NKp мах и скорости движения агрегата F=9,5 км/ч составляет Ртяг — 10,8 кН [92]. Минимальная ширина захвата комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы при агрегатировании с трактором МТЗ-82 должна быть не менее 2,1 м. Для наиболее рационального размещения культиваторных лап между дисками оптимальное междисковое расстояние для приводного ротора равняется 300 мм. При ширине захвата орудия 2,1 м количество дисков приводного ротора должно быть не менее 8.
Учитывая, что удельное сопротивление стрельчатых лап культиватора составляет 1,6...3,0 кН/м [92], принимаем, что примерно 50% тягового усилия трактора используется на преодоление сопротивления почвы культиваторными лапами и прикатывающим катком, а оставшиеся 50% - на привод измельчающего ротора. В этом случае, тяговое сопротивление одного диска приводного ротора не должно превышать 650 Н. Анализ моделей регрессии (4.1) и (4.2) показал, что тяговое сопротивление Рпр.д. диска приводного ротора при ширине лопасти почвозацепа /„ = 60 мм для различных значений Ln, Nn и а„ превышает 650 Н. Из-за малых значений развиваемого крутящего момента Тпр,д. почвозаце-пы не должны иметь лопасти шириной менее tn = 40 мм. Лопасти длиной более 70 мм при максимальной ширине не подходят из-за низкого КПД преобразования тягового усилия в крутящий момент. Таким образом, наиболее приемлемыми являются лопасти шириной t„ = 50 мм и длиной Ln = 66 мм.
Изменение количества почвозацепов Nn на диске незначительно влияет на изменение крутящего момента Т„рЛ и тягового сопротивления Рпр.д. при различных значениях ап, L„ и tn. В ряде случаев при увеличении числа почвозацепов N„ несколько возрастает крутящий момент ТпрЛ при одновременном увеличении тягового сопротивления Рпр,д.- Исходя из конструктивных соображений и для предотвращения забивания почвой пространства между почвозацепами, принимаем N„ = 8. Для выбранных параметров и количества почвозацепов построены двумерные сечения поверхностей отклика (рис. 4.6).
При выбранных значениях N„ — 8 и t„ - 50 мм тяговое сопротивление Р„р,д. превышает 650Н в области, ограниченной значениями а„ =5...35 при Ln = 33...50 мм, причём его минимальные значения соответствуют ап =38...40 и Ln = 70...100 мм. В то же время максимальный крутящий момент, развиваемый диском приводного ротора, для выбранных значений факторов равняется ТПр.д. — 76...78 Н-м и наблюдается при Ln — 50...70 мм и ап = 17...22, при этом коэффициент полезного действия составляет ц = 0,74.
Таким образом, согласно лабораторных исследований оптимальными параметрами лопасти почвозацепа приводного ротора являются ширина tn = 50 мм, длина L„ = 66 мм, угол установки -ап= 17.. .22, количество почвозацепов -N„ = 8. Для более точного определения угла установки ап необходимо провести дополнительные исследования в полевых условиях. Для подтверждения полученных в ходе лабораторных исследований данных проведён однофакторный эксперимент в полевых условиях. В ходе которого изучалось влияние параметров почвозацепов диска приводного ротора на его тяговое сопротивление Р„р.д. и скольжение S в зависимости от крутящего момента TlLp, потребляемого измельчающим ротором. Опыт проведён на средне-суглинистой дерново-подзолистой почве при твёрдости по слоям: 0...5 см — 1,1 МПа, 5... 10 см - 2,1 МПа, 10... 15 см - 2,5 МПа. Влажность почвы составляла 22,3%. Фон — чистый пар. Скорость движения - 10,5 км/ч [34]. Согласно полученным данным построены зависимости изменения тягового сопротивления и скольжения диска приводного ротора от крутящего момента.
В целом, результаты лабораторно-полевого опыта подтвердили данные, полученные в ходе лабораторных исследований. С увеличением нагрузки, имитирующей крутящий момент Т„рЛ) возрастает тяговое сопротивление Рпр,д. и скольжение приводного ротора. Большие значения Т„рЛ и Рпр . при лаборатор-но-полевом опыте обусловлены глубиной погружения почвозацепов диска в почву (120...130 мм), значительно большей скоростью передвижения, а также более высокой твёрдостью почвы.
Наименьшее тяговое сопротивление наблюдается при работе диска с поч-возацепами, имеющими t„ = 50 мм и L„ = 33 мм. Однако, скольжение диска с почвозацепами, имеющими длину лопасти 66 мм, в диапазоне изменения Тпрл меньше на 5...20 % по сравнению с почвозацепами с L„ = 33 мм (рис. 4.7). Поч-возацепы при Ln = 66 мм обеспечивают наибольший крутящий момент при меньшем скольжение.
При этом тяговое сопротивление диска с почвозацепами, имеющими t„ = 50 мм и Ln = 66 мм, при угле установки на диске 20 и 40 отличается незначительно и по сравнению с ап = 0 меньше на 200...400 Н. Наименьшее скольжение наблюдается при работе приводного диска с ап = 20 (рис. 4.7).
