Результаты испытаний основных сельскохозяйственных агрегатов с упругодемпфирующим механизмом в силовой передаче мобильного энергетического средства класса 1,4

Введение. Основной задачей, которая ставится перед агропромышленным комплексом, является достижение стабильного роста показателей сельскохозяйственного производства с целью обеспечения страны сырьём и продовольствием [1, 2].

Урожайность, всех без исключения, сельскохозяйственных культур, возделываемых во всём мире, во многом зависит от своевременности и качественного проведения технологических операций, в том числе основной обработки почвы (пахоты), сплошной культивации перед посевом и самого посева.

Анализ развития сельскохозяйственного производства показывает, что выполнение различных технологических операций в растениеводстве производится и будет производиться в перспективе с помощью мобильных энергетических средств (МЭС) [1, 2 и др.].

В качестве одного из путей роста эффективности машинно-тракторных агрегатов (МТА) исследователями предлагается повышение рабочих скоростей и применение на обработке почв широкозахватной техники, что предполагает применение тракторов с высоким уровнем тяги [1, 2 и др.].

Повышение эксплуатационной эффективности мобильной сельскохозяйственной техники представляет собой один из главных факторов, способствующих увеличению продукции растениеводства при существенном уменьшении на её получение энергозатрат. При этом среди энергосберегающих технологий в отраслях полеводства немаловажное значение приобретают те разработки, которые связаны со снижением уровня динамических процессов во всех звеньях МТА.

Однако технико-экономические и качественные показатели выполнения технологических операций, связанных с контактированием рабочих органов агрегатируемых сельскохозяйственных машин и орудий с различными горизонтами обрабатываемой почвы, снижаются из-за того, что все звенья машинно-тракторных агрегатов (МТА) испытывают негативное влияние внешних сил и моментов, имеющих стохастический характер [3, 4]. В результате воздействия переменных по своему характеру колебаний нагрузки нарушается нормальное течение рабочего процесса в силовых агрегатах (поэтому частота вращения коленвала двигателя снижается с одновременным ростом расхода топлива). В то же время наблюдается рост буксования движителей [3–7] при снижении агротехнологических показателей выполнения технологических операций МТА (глубина обработки почвы, равномерность заделки семян и другие [2, 8 и др.]).

Во многих работах для обеспечения достижения потенциальных показателей МТА испытатели и исследователи предлагают устанавливать в силовые передачи их МЭС различные устройства, предназначенные для сглаживания колебаний внутренних и внешних сил и моментов: гидротрансформаторы, упругие и демпфирующие механизмы. Но, в связи с конструкционной особенностью, гидротрансформаторы, при наличии определённых положительных качеств, способствуют падению тягового КПД МЭС, а различные демпферные и упругие элементы, предлагаемые для установки в силовую передачу, имеют общие недостатки: они имеют значительные габаритные размеры и, главное, линейную характеристику, что препятствует эффективному выполнению ими необходимых функций при стохастичном характере внешних и внутренних воздействий на сельскохозяйственный агрегат в целом.

Предлагаемый нами для установки в силовую передачу МЭС перед её ведущим валом средства механизм, совмещающий упругие и демпфирующие свойства, обладает небольшими габаритами и нелинейной характеристикой , что способствует существенному падению динамических нагрузок, возникающих в звеньях МТА (см. патенты РФ № 2222440, 2299135, 2398147, 2739100 и др.). Работа его подробно описана в литературных источниках [8, 9,10 и др.].

Поэтому целью исследований является научное обоснование способа повышения технико-экономических и агротехнологических показателей выполнения основных технологических операций машинно-трак-торными агрегатами, составленными на базе мобильных энергетических средств тягового класса 1,4, при возделывании различных сельскохозяйственных культур за счёт снижения уровня динамических процессов в их звеньях.

Методы исследований. При исследовании влияния упругодемпфирующего механизма, установленного перед ведущим валом силовой передачи мобильного энергетического средства тягового класса 1,4, на показатели функционирования различных сельскохозяйственных технологических опе-раций нами был принят теоретико-экспери-ментальный метод.

В процессе сравнительных испытаний серийные и опытные машинно-тракторные агрегаты агрегатировались одним и тем же трактором МТЗ-80, имеющим в своей силовой передаче предлагаемый нами упругодемпфирующий механизм (УДМ) с оптимальными параметрами [9, 10] (при        Характеристика почвенных фонов испытаниях серийного варианта УДМ (стерни зерновых колосовых и пара), на блокировался) для таких технологических которых проводились исследования, операций, как пахота, предпосевная приведена в таблице 1.

культивация и сев зерновых культур.

Таблица 1 – Характеристика почвенных фонов при испытаниях МТА

Table 1 – Characteristics of soil backgrounds during MTA tests

Показатели Indicators	Фон / Background
	Стерня зерновых колосовых Grain crops stubble	Пар Fallow
Плотность почвы по горизонтам, г/см3
Soil bulk density by horizons, g/cm3
0–10 см cm	1,079	0,875
10–20 см cm	1,167	1,185
20–30 см cm	1,134	1,262
средняя / average	1,127	1,107
Влажность почвы по горизонтам, %
Влажность почвы по горизонтам, %
0–10 см cm	16,93	9,39
10–20 см cm	19,47	19,85
20–30 см cm	21,00	20,89
Высота стеблей стерни, см Subble height, cm	15,0	–

Условия и процедура для проведения испытаний МТА соответствовали требованиям соответствующих стандартов ГОСТ 7057–2001 и ГОСТ 24055–2016 и отраслевых методик.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ данных предварительных экспериментальных исследований позволил сделать вывод, что точность выполненных измерений параметров, характеризующих динамические процессы в звеньях МТА при их функционировании, находилась на удовлетворительном уровне, так как максимальная их погрешность находилась в пределах 1,35–4,00%.

Данные проведённых эксплуатационных испытаний показали, что исследуемый нами УДМ, находящийся в силовой передаче МЭС класса 1,4, на достаточно высоком уровне обеспечивает защиту всех составляющих звеньев МТА от колебаний внешних и внутренних связей, что положительно сказывается на динамических процессах, возникающих во всех элементах МТА. Так, например, в результате испытаний МТА в полевых условиях было установлено, что внедрение УДМ в силовую передачу мобильного энергетического средства тягового класса 1,4 способствует снижению величины амплитуды колебаний крюкового усилия по сравнению с серийным вариантом до 15– 20%.

В связи с обеспечением высокой степени защиты упругодемпфирующим механизмом звеньев МТА от негативного влияния колебательного изменения внешних и внутренних возмущений при выполнении им технологической операции по сравнению с серийным вариантом частота вращения коленвала силовой установки становится выше, буксование движителей меньше, что, в конечном счёте, приводит к росту рабочей скорости МТА.

Для     количественной     оценки защищённости составляющих звеньев МТА от динамического процесса колебаний внутренних и внешних связей нами был произведён корреляционно-спектральный анализ тяговых усилий, создаваемых рабочими органами агрегатируемых сельскохозяйственных орудий и машин (рисунок 1).

Для примера рассмотрим графическое изображение              нормированной автокорреляционной функции тягового сопротивления пахотного агрегата (рисунок 1 а). По нему видно, что снижение нормированной автокорреляционной функции для серийного пахотного агрегата наблюдается в течение всего трёх секунд. У экспериментального же агрегата темп снижения её выше, при том, что по всей длине имеющейся реализации она отлична от нуля, т.е. процесс производимой работы (пахоты) экспериментальным агрегатом обладает большей плавностью.

а а

1 – серийный МТА;

2 – экспериментальный МТА

Рисунок 1 – Графическое изображение нормированных автокорреляционных функций для тяговых сопротивлений пахотного ( а ), культиваторного ( б ) и посевного МТА ( в )

в c

1 – serial МТА; 2 – experimental МТА

Figure 1 – Graphic image of normalized autocorrelation functions for traction resistance of arable ( a ) cultivation ( b ) and sowing MTA ( c )

Поведение корреляционных функций и для других агрегатов (см. рисунок 1), полученных при обработке опытных данных сравнительных испытаний серийных и экспериментальных МТА, показывает быстрое снижение их с течением времени. По времени, в течение которого происходит спад функции, можно судить о скорости реакции МТА на динамичность внешних связей при их воздействии на агрегат. Протекание корреляционных функций подчёркивает более медленную адаптацию серийных МТА к изменяющимся внешним условиям, чем экспериментальные агрегаты, в которых перед силовой передачей МЭС класса 1,4 установлен упругодемпфирующий механизм.

Результаты проведённой энергооценки различных сельскохозяйственных МТА с установленным УДМ в силовую передачу МЭС класса 1,4 (таблица 2), показывает, что математическое ожидание тягового сопротивления рабочих органов агрегатируемых сельскохозяйственных машин становится ниже до 11%.

Внедрение УДМ в силовую передачу мобильного энергетического средства класса тяги 1,4 обеспечивает более комфортные условия работы всех звеньев МТА в процессе выполнения им различных технологических операций. Поэтому повышается поступательная скорость МТА от 6,0 до 12,3%, снижаются на 15–20% колебания крюкового усилия в зависимости от выполняемого вида работ. В связи с этим наблюдается рост производительности МТА более 8%, снижение часового расхода топлива мобильным энергетическим средством на 2,6–8,6% с одновременным его расходом на объём выполненной работы (на гектар) от 9,1 до 15,4%.

Заметный вклад в повышение производительности опытного МТА вносит снижение буксования ведущих колёс МЭС. Статистический анализ данных натурных исследований по буксованию движителей мобильных энергетических средств тягового класса 1,4 в составе сельскохозяйственных агрегатов показал, что УДМ способствует снижению величины буксования движителей МЭС почти в 1,3 раза, причём величина дисперсии его становится меньше до 37,6% и среднеквадратического отклонения – более 21%.

Таблица 2 – Энергетические показатели работы МТА, агрегатируемых мобильными энергетическими средствами тягового класса 1,4

Table 2 – Energy performance of the MTA aggregated by mobile power tools of traction class 1,4

Показатели Indicators	Сельскохозяйственный агрегат Agricultural aggregate
	Пахотный Arable		Культиваторный Cultivation		Посевной Sowing
	серийный serial	опытный experiment al	серийный serial	опытный experiment al	серийный serial	опытный experiment al
Крюковое усилие, Н Draught power, Н	13522	12229	9289	9202	5715	50079
Рабочая скорость МТА, км/ч Operating speed of МТА, km/h	7,092	7,704	6,480	7,092	8,388	8,964
Частота вращения коленвала силовой установки, рад/с Rotational speed of the crankshaft, rad/s	235,31	244,74	235,31	244,76	239,31	246,50
Потребление топлива за час работы, кг/ч Fuel consumption per hour of operation, kg/h	13,23	12,88	9,97	9,11	9,85	9,16
Буксование движителей, % slipping of propellers, %	14,97	11,50	14,97	14,64	14,32	13,22
Чистая производительность МТА, га/ч Net productivity of МТА, ha/h	0,747	0,811	2,611	2,822	4,552	4,812
Расход топлива на объём выполненной работы, кг/га Fuel consumption per volume of work performed, kg/ha	17,65	16,03	3,83	3,22	2,18	1,90

Проведенный сравнительный анализ   испытаний показал, что показатели (таблица результатов         лабораторно-полевых   3), характеризующие качество выполнения технологических операций у МТА, имеющих в силовой передаче мобильного энергетического средства тягового класса 1,4 предлагаемый упругодемпфирующий механизм, сохраняют свои заданные параметры более стабильно.

При полевых испытаниях пахотного МТА (МТЗ-80+ПЛН-3-35) определялись показатели качества работы пахотного агрегата, которыми с точки зрения агротехнических характеристик являются: глубина обработки, глубина борозд, крошение почвы, подрезание пожнивных остатков и сорных растений, сохранение стерни.

Проведенный сравнительный анализ результатов         лабораторно-полевых испытаний показал, что глубина обработки и устойчивость ширины захвата при производстве пахотной операции у МТА с УДМ в силовой передаче трактора тягового класса 1,4 сохраняет заданные параметры более стабильно.

Полученные значения статистических показателей глубины обработки почвы и ширины захвата (коэффициент вариации и среднеквадратическое отклонение) у МТА с опытной трансмиссией трактора были соответственно в 1,20-2,17 и 1,32-2,35 раза меньше.

Мобильное энергетическое средство тягового класса 1,4 с УДМ в силовой передаче в составе пахотного агрегата показало более высокое качество состояния обработанного поля.

Так, средняя величина отклонений Δhд ср поверхности дна пахотной борозды от среднего значения её профиля у агрегата с экспериментальным       энергетическим средством более чем на 50 процентов меньше по сравнению с серийным.

Показатель, определяющий качество пахоты а (см. таблицу 2), нами определялся по результатам измерений:

А = А һ Д -A h ; .          (1)

В результате проведённых испытаний было установлено, что показатель качества а для пахотного агрегата с экспериментальным энергетическим средством - отрицательный, а для серийного - положительный. Эти данные показывают, что первый обеспечивает выравнивание пашни, а второй - делает её более гребнистой.

Энергетическое средство с УДМ в трансмиссии в составе пахотного агрегата обеспечивает более высокую степень выравненности поверхности пашни, чем серийный вариант. То есть применение серийного пахотного агрегата определяет необходимость проведения дополнительной обработки с целью обеспечения выравненности поверхности вспаханного поля. В итоге упругодемпфирующий механизм, введенный в силовую передачу мобильного энергетического средства тягового класса 1,4, способствует повышению стабильности выполнения технологического процесса пахоты МТА (МТЗ-80 + ПЛН-3-35) по всем агротехническим показателям.

Внедрение упругодемпфирующего механизма в силовую передачу энергетического средства тягового класса 1,4 способствует повышению показателей качества производимой работы и агрегата для сплошной культивации (МТЗ-80 + КПС-4): дисперсия глубины обработки почвы становится ниже на 22% при одновременном повышении равномерности глубины обработки почвы на 16% (см. таблицу 3).

Установка УДМ в силовую передачу энергетического средства тягового класса 1,4 обеспечивает повышение (см. таблицу 3) агротехнологических показателей посевного МТА (МТЗ-80 + СЗ-5,4А): происходит уменьшение показателей изменчивости глубины высева семян (среднеквадратическое отклонение её становится ниже на 24,7%, а величина коэффициента вариации снижается с 15,1 до 11,9%).

Графические изображения нормированной спектральной плотности, характеризующие глубину высева семян (рисунок 2), говорят о том, что опытный агрегат имеет одно максимальное значение дисперсий, соответствующее частоте 1,0 с-1, а серийный агрегат имеет в частотном диапазоне 0–1,5 с-1 четыре максимальных значения при одной преобладающей частоте 1,6 с-1. При этом серийный вариант посевного агрегата имеет две выраженных вершины в диапазоне более высоких частот.

Поэтому можно утверждать, что семена при высеве опытным агрегатом, имеющим в силовой передаче МЭС класса 1,4 УДМ, распределяются практически на одной глубине. Серийный посевной МТА распределяет семена на разных глубинах.

Количественная оценка равномерности глубины высева семян показала более качественный процесс высева семян экспериментальным посевным МТА.

Таблица 3 – Агротехнологические показатели МТА, агрегатируемых мобильным энергетическим средством класса тяги 1,4

Table 3 – Agrotechnological indicators of MTA aggregated by a mobile power tool of traction class 1,4

Показатели Indicators	Серийный агрегат Serial aggregate	Опытный агрегат Experimental aggregate
Пахотный агрегат (МТЗ-80 + ПЛН-3-35) Arable aggregate (MTZ-80 + PLN-3-35)
Глубина пахоты (математическое ожидание), см Plowing depth (mathematical expectation), cm	20,2	20,8
Среднеквадратическое отклонение глубины пахоты, см Standard deviation of plowing depth, cm	1,91	1,07
Коэффициент вариации глубины пахоты, % Coefficient of variation in plowing depth, %	8,4	5,1
Ширина захвата агрегата (математическое ожидание), см Working width of an aggregate (mathematical expectation), cm	107	106
Среднеквадратическое отклонение ширины захвата агрегата, см Standard deviation of working width of an aggregate, cm	1,98	1,65
Коэффициент вариации ширины захвата агрегата, % Coefficient of variation in working width of an aggregate, %	2,6	2,5
Средняя величина отклонения профиля дна борозды от условной средней линии высоты микронеровностей, см Standard deviation of the furrow bottom profile from the conditional average height line of microroughnesses, cm	5,6	2,8
Средняя величина отклонения профиля поверхности поля от условной средней линии высоты микронеровностей, см Standard deviation of the field surface profile from the conditional average height line of microroughnesses, cm	4,2	3,1
Разница отклонений от условной средней линии профилей борозды и поверхности поля, см Difference of deviations from the conditional average line of the furrow profiles and the field surface, cm	1,4	- 0,3
Культиваторный агрегат (МТЗ-80 + КПС-4) Cultivation aggregate (MTZ-80 + KPS-4)
Глубина обработки (математическое ожидание), см Depth of tillage (mathematical expectation), cm	10,88	11,2
Среднеквадратическое отклонение глубины обработки, см	2,42	2,14

Standard deviation of depth of tillage, cm
Коэффициент вариации глубины обработки, % Coefficient of variation in depth of tillage, %	0,22	0,19
Посевной агрегат (МТЗ-80 + СЗ-5,4А) Sowing aggregate (MTZ-80 + SZ-5,4A)
Глубина заделки семян (математическое ожидание), см Depth of seed placement (mathematical expectation), cm	5,3	5,1
Среднеквадратическое отклонение глубины заделки семян, см Standard deviation of depth of seed placement, cm	0,86	0,62
Коэффициент вариации глубины заделки семян, % Coefficient of variation in depth of seed placement, %	0,16	0,12

––––– – экспериментальный МТА;

– – – – – серийный МТА

Рисунок 2 – Графики нормированных спектральных плотностей глубины высева семян

––––– – experimantal МТА;

– – – – – serial МТА

Figure 2 – Graphs of normalized spectral densities of seed sowing depth

Выводы:

– предлагаемый нами упругодемпфирующий механизм с оптимальными параметрами при его установке в силовую передачу МЭС класса 1,4 способствует повышению техникоэкономических и агротехнологических показателей составленных на его базе пахотных, культиваторных и посевных машинно-тракторных агрегатов;

– показатели, характеризующие качество выполнения технологических операций, у МТА с внедрённым в силовую передачу МЭС класса 1,4 УДМ, сохраняют свои параметры более стабильно;

– модернизация МЭС класса 1,4 путём внедрения в силовую передачу УДМ способствует при выполнении различных операций повышению производительности труда от 6 до 8%, снижению часового расхода топлива на 2,6–8,6%, уменьшению удельного расхода топлива от 9,2 до 15,9%;

– УДМ в силовой передаче МЭС класса 1,4 способствует повышению стабильности выполнения технологического процесса основных технологических операций при производстве зерновых колосовых: пахоты, сплошной культивации и сева по всем агротехническим показателям.