Обоснование кинематических параметров тягово-приводного почвообрабатывающего орудия

Введение. В засушливых условиях Среднего Поволжья главной задачей в ранневесенний период является создание условий для сохранения в почве влаги, накопленной за осеннезимний период. Эта задача решается проведением ранневесенней поверхностной обработки почвы с целью создания покрывающего мульчирующего слоя, обеспечивающего сокращение непродуктивных потерь влаги на испарение [1].

Однако ранний выход техники в поле для ранневесенней поверхностной обработки сдерживает низкая несущая способность влажной почвы, так как для перемещения почвообрабатывающего агрегата по полю необходимо создавать высокое тягово-сцепное усилие трактора, которое должно превышать тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины [2, 3].

1 – рама; 2 – навесное устройство; 3 – опорно-регулировочное колесо; 4 – рычаг колеса; 5 – винтовой регулятор глубины обработки; 6 – передняя батарея приводных дисково-игольчатых рабочих органов; 7 – задняя батарея приводных дисково-игольчатых рабочих органов; 8 – дисково-игольчатые рабочие органы; 9 – карданный вал передачи крутящего момента от МОМ трактора; 10 – конический редуктор; 11 – карданный вал передачи крутящего момента от конического редуктора на батареи приводных дисково-игольчатых рабочих органов; 12 – распределитель потока крутящего момента с блоком сменных звездочек; 13 – цепной приводной контур передачи крутящего момента на переднюю батарею дисково-игольчатых рабочих органов; 14 – цепной приводной контур передачи крутящего момента на заднюю батарею дисково-игольчатых рабочих органов; 15 – натяжные механизмы цепных приводов контуров передачи крутящего момента на батареи дисково-игольчатых рабочих органов

Рисунок 1 – Экспериментальное тягово-приводное орудие

Преодоление упомянутого сдерживающего фактора возможно за счет применения тягово-приводных орудий, имеющих низкое тяговое сопротивление и требующих для своей работы гораздо меньший тягово-сцепной вес агрегати-рующего трактора. Для этого разработано тягово-приводное почвообрабатывающее орудие, которое имеет малое тяговое сопротивление и позволяет проводить ранневесеннюю поверхностную обработку почву в более ранние сроки (рисунок 1), тем самым обеспечивая сохранение большего количества влаги в почве [4].

Рабочими органами данного орудия являются батареи приводных дисково-игольчатых рабочих органов, которые получают основную долю мощности для своей работы посредством привода от вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Однако применение приводных дисковоигольчатых рабочих органов сказывается на энергоэффективности технологического процесса обработки почвы, которая существенно зависит от кинематического режима работы дисково-игольчатых рабочих органов [5, 6].

Нами поставлена задача выявить рациональное соотношение рабочей скорости движения агрегата и окружных скоростей движения переднего и заднего рядов дисково-игольчатых рабочих органов, чтобы обеспечить высокие показатели качества крошения почвы и энергетической эффективности процесса ее поверхностной обработки.

В связи с этим разработана методика проведения серии опытов с использованием теории многофакторного планирования экспериментов.

Методика исследованний. Методика проведения серии опытов с использованием теории многофакторного планирования экспериментов разработана для выявления рациональных соотношений рабочей скорости движения агрегата и окружных скоростей движения переднего и заднего рядов дисково-игольчатых рабочих органов.

В качестве оцениваемых показателей работы машинно-тракторного агрегата с тяговоприводным орудием выбраны качество крошения почвы и часовой расход топлива на выполнение технологического процесса обработки почвы. Критерием оптимизации выбрано удельное энергопотребление Эу [г/(ч·%)] – относительная характеристика технологического процесса обработки почвы, показывающая часовой расход топлива на каждый процент качества крошения.

Основными факторами влияния определены следующие: кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков (K 1 ), кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков (K 2 ) и рабочая скорость движения агрегата (V p ), км/ч [7, 8, 9]. Уровни и интервалы варьирования основных факторов при регрессионном анализе приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования основных факторов при регрессионном анализе

Факторы варьирования	Уровни варьирования факторов
	+1	0	-1
Кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков K 1	1,15	1,10	1,05
Кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков K 2	1,20	1,15	1,10
Рабочая скорость движения агрегата V p , км/ч	11,0	9,1	7,2
Для изменения кинематических парамет-   ные отношения и устанавливались необходимые ров работы переднего и заднего рядов батарей   соотношения окружных скоростей движения дис- дисково-игольчатых рабочих органов был изго-   ково-игольчатых рабочих органов с рабочей ско- товлен комплект различных приводных звездо-   ростью движения агрегата. чек, с помощью которых изменялись передаточ-

Таблица 2 – Кинематические параметры передних и задних рядов батарей дисково-игольчатых рабочих органов

Соотношения окружных скоростей вращения		Число зубьев ведущей звездочки передних батарей
		16	17	18	19	20
Число зубьев ведущей звездочки задних батарей	18	1,13	1,06	1,00
	19	1,19	1,12	1,06	1,00
	20	1,25	1,18	1,11	1,05	1,00
	21		1,24	1,17	1,11	1,05
	22			1,22	1,16	1,10

Комплект различных приводных звездочек позволял изменять кинематические параметры работы передних и задних рядов батарей дисково-игольчатых рабочих органов от 1,0 до 1,25 в соответствии с таблицей 2.

Серии опытов выполнялись по симметричному некомпозиционному квази-D-оптималь-ному плану Песочинского.

Определение качества крошения почвы выполнялось по СТО АИСТ 4.2-2010. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей стандартной методики. Данной методикой предусматривался отбор образцов почвы на обработанных участках на всю глубину рыхления с площади 25×25 см. Качество крошения выражалось процентным содержанием по весу почвенных агрегатов размером от 1 до 50 мм в каждой отобранной пробе.

Часовой расход топлива определялся в соответствии с методикой энергетической оценки по ГОСТ Р 52777-2007 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки» с применением информационно-измерительной системы ИП-264 ФГБУ «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция».

Результаты реализации серии опытов обрабатывались по общепринятой методике полевого опыта [10].

Результаты исследований. В результате проведения серии опытов по симметричному некомпозиционному квази-D-оптимально-му плану Песочинского и регрессионному анализу результатов опытов, после замены кодовых значений факторов на натуральные получено следующее уравнение регрессии в натуральном раскодированном виде:

Эу = 1790,2 - 1583,5 K - 1486,5 K - 6,47V_P + 810 K 2 + 730 K ₂ ² + 0,46V_P ² - 140 KK . (1)

При рабочей скорости движения агрегата Vp = 9,1 км/ч уравнение регрессии примет следующий вид:

Эу = 1769,7 - 1583,5 K - 1486,5 K + 810 K 2 + 730 K ² - 140 KK . (2)

По уравнению регрессии (2) построена графическая зависимость изменения удельного энергопотребления (Эу) в зависимости от кине- матических параметров 1-го (K1) и 2-го (K2) рядов игольчатых дисков в виде сечения поверхности отклика (рисунок 2).

Кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков

Рисунок 2 – Факторная зависимость удельного энергопотребления

Для определения оптимальных величин кинематических параметров 1-го ( K 1 ) и 2-го ( K 2 )

уравнение (2), определяя производные первого порядка по каждой переменной и приравняем их

рядов игольчатых дисков продифференцируем к нулю:

^ Эу = - 1583,5 + 810 • K - 140 • K = 0;

d K          ,           ^{1          2}

^ Эу = - 1486,5 + 730 • K - 140 • K, = 0.

d K 2                      2           ¹

В результате решения полученной системы уравнений (3) найдены оптимальные значения факторов: кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков K 1 =1,08; кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков K 2 =1,13 при рабочей скорости движения агрегата V p =9,1 км/ч. При данных значениях факторов удельное энергопотребление Эу не превышает 90 г/(ч·%).

Выводы. Повышение энергоэффективности ранневесенней обработки почвы может быть достигнуто за счет применения тяговоприводных почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами, не создающих высоких тяговых сопротивлений и не требующих большого тягово-сцепного веса агрегати-рующего трактора. Снижение тягового сопротивления таких орудий достигается передачей основной доли мощности через МОМ трактора на приводные ротационные рабочие органы, которые создают толкающее усилие, минимизируя тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия. Наилучшая энергоэффективность работы тягово-приводного почвообрабатывающего орудия обеспечивается оптимальными значениями таких факторов, как кинематический параметр 1-го ряда игольчатых дисков K 1 =1,08; кинематический параметр 2-го ряда игольчатых дисков K 2 =1,13, оптимальные значения которых определены при рабочей скорости движения агрегата V p =9,1 км/ч. При данных значениях факторов удельное энергопотребление Эу не превышает 90 г/(ч·%).