Технологическая оценка трансмиссии посевных машин

Введение. Эффективность сельскохозяйственного производства зависит не только от эффективности стратегического планирования

[1], но и в значительной степени от решения таких тактических задач, как повышение эффективности машинного обеспечения растениевод- ческих процессов [2–5] Среди различных групп сельскохозяйственной техники особое место занимают посевные и посадочные (далее – посевные) машины, реализующие одну из наиболее ответственных операций в технологиях растениеводства. К показателям работы посевных машин предъявляют особые, жестко регламентированные требования [6, 7]. При этом большинство авторов в качестве наиболее важных узлов посевных машин рассматривают сошниковые группы [7, 8] и высевающие аппараты [7, 9, 10]. В то же время очевидно, что технологические показатели работы посевных машин (в первую очередь – норма высева или посадки сельскохозяйственных культур) в значительной степени зависят от характеристик трансмиссий посевных машин [7], обеспечивающих передачу крутящего момента от опорно-приводных колес к дозаторам. Таким образом, оптимизация показателей работы трансмиссий посевных машин – достаточно актуальная задача, решение которой имеет перспективы реализации в промышленном производстве. Причем в конструкции зерновых сеялок изменение нормы высева может достаточно плавно регулироваться изменением длины рабочей части катушки высевающего аппарата, поэтому данная проблема наиболее значима с точки зрения эксплуатации пропашных сеялок, обеспечивающих дискретную подачу семян с достаточно жёстко регламентируемой точностью.

В настоящее время перспективным направлением совершенствования конструкций посевных машин является внедрение бесступенчатых трансмиссий, применение которых позволяет обеспечить установку любого передаточного числа в определенном диапазоне, соответственно облегчает подбор практически любой нормы высева семян в данном диапазоне. Более того, конструкция современных бесступенчатых передач гипотетически позволяет проводить изменение нормы высева на ходу агрегата, что особенно актуально в современных условиях перехода на координатные, цифровые системы земледелия. Тем не менее, для бесступенчатых передач характерен ряд недостатков: высокая стоимость; сложность конструкции; линейное изменение (арифметическая прогрессия) передаточных чисел, в то время как с практической точки зрения более перспективным является применение геометрической прогрессии передаточных чисел, которая позволяет добиться минимума типоразмеров элементов трансмиссии при обеспечении более широкого спектра реализации норм высева и при этом обеспечивает примерно постоянное относительное приращение нормы высева, т.к. большему номеру передачи соответствует её больший прирост. Из-за этих и ряда других недостатков бесступенчатые передачи всё еще не получили широкого применения в конструкциях посевных машин. Подавляющее большинство сеялок по-прежнему оснащаются ступенчатыми трансмиссиями, основными узлами которых являются коробки передач или редукторы со сменными зубчатыми колесами (звездочками) [7]. В связи с этим целью представленного исследования является разработка показателя, позволяющего проводить количественную оценку оптимальности подбора передаточных чисел ступенчатых трансмиссий посевных машин.

Методика исследования. Исследование проводилось в два этапа.

Первый этап носит описательно-аналитический характер и направлен на оценку конструктивных параметров и показателей работы восьмирядных пропашных сеялок на основании данных протоколов [11] машиноиспытательных станций Российской Федерации, а также на выбор сеялки-прототипа для дальнейшего анализа.

Второй этап направлен непосредственно на разработку показателя, позволяющего проводить количественную оценку оптимальности подбора передаточных чисел ступенчатых трансмиссий посевных машин и проводился путем сравнения фактического ряда передаточных чисел серийно выпускаемой сеялки-прототипа [12], теоретического ряда передаточных чисел для этой же сеялки и проектируемого (измененного относительно фактического) ряда передаточных чисел.

Результаты исследований и их обсуждение. Статистические данные, характеризующие показатели работы отечественных восьмирядных пропашных сеялок, представлены в таблице 1.

В таблице 1 приняты следующие обозначения: СРЕДН. – среднее значение показателя; СР.КВ. – среднее квадратическое отклонение показателя; МАКС. – максимальное значение показателя; МИН. – минимальное значение показателя; Vp – рабочая скорость, км/ч; Вр – рабочая ширина захвата сеялки, м; аср – средняя глубина заделки семян, см; НВ – норма высева при испытаниях (установленная и фактическая), шт./м; ОБ – объем семенного бункера, дм3; СВС – семян, заделанных в заданном слое, %; ГСР – густота стояния растений, шт./м; Wo – производительность агрегата за час основного времени, га/ч; Wэ – производительность агрегата за час эксплуатационного времени, га/ч; NВОМ – мощность, затрачиваемая на привод вентилятора пневмосистемы, кВт; qуд – удельный расход топлива, кг/га; m – конструкционная масса машины, кг.

Таблица 1 – Показатели работы пропашных сеялок

Марка	Vp , км/ч	Вр , м	а ср , см	НВ , шт./м		ОБ , дм3	СВС , %	ГСР , шт./ м	W o , га/ч	W э , га/ч	N ВОМ , кВт	q уд , кг/га	m , кг
				норм.	факт.
СРЕДН.	7,43	5,6	5,74	7,48	7,29	24,87	92,2	6,35	4,30	2,60	2,43	3,80	1299,0
СР.КВ.	0,88	–	1,48	0,82	0,94	3,42	3,5	0,28	0,19	0,11	0,16	1,10	67,2
МАКС.	8,86	–	7,70	8,00	8,10	32,00	98,9	6,80	4,75	2,86	2,65	4,90	1365,0
МИН.	6,00	–	3,10	4,20	4,00	22,30	82,2	6,00	4,11	2,40	2,12	2,10	1215,0

Анализ показателей работы отечественных пропашных сеялок (таблица 1) позволяет выявить их отдельные технологические недостатки, среди которых один из наиболее существенных – низкая производительность ( W э ≈ 2,6 га/ч), обусловленная не только ограниченным коэффициентом использования времени смены (около 0,60), но и рациональной скоростью движения агрегата в работе (в среднем менее 7,5 км/ч). Причем даже при таких незначительных рабочих скоростях количество пропусков превысило 2,5% (допуск агротребований – 2%). При этом рассматриваемые машины обеспечивают заделку более 90% семян на заданную глубину посева.

Оценка усредненных технических характеристик пропашных сеялок позволила выбрать в качестве прототипа машину предприятия ОАО

«Миллеровосельмаш» (г. Миллерово Ростовской области) МС-8 [12] (ранее СПБ-8), для которой характерны следующие технические и эксплуатационные характеристики: рабочая скорость – до 9,0 км/ч; рабочая ширина захвата – 5,6 м; производительность за час основного времени – до 5,0 га/ч (расчетная); масса сеялки (конструкционная) – около 1250 кг; объем семенного бункера – не менее 20 л; количество высевающих аппаратов – 8 шт.; пределы регулирования рабочих органов по глубине – 5–10 см; ширина основных междурядий – 70 см. В связи с этим дальнейшее исследование проводилось путем анализа передаточных чисел редуктора этой сеялки.

Функциональная и кинематическая схемы консоль-редуктора сеялки-прототипа представлены на рисунках 1 и 2.

1 – колесо (опорно-приводное); 2 – вал; 3 – зубчатое колесо; 4 – корпус; 5 – опора; 6 – звёздочка; 7 – крышка; 8 – зубчатое колесо; 9 – зубчатое колесо; 10, 11 и 12 – валы; 13 и 14 – стаканы;

15 – втулка; 16 и 17 – подшипники

Рисунок 1 – Функциональная схема консоль-редуктора сеялки МС-8 [12]

А Б    В Г Д Е Z=21    Z=13     Z=15

Рисунок 2 – Кинематическая схема привода высевающего аппарата сеялки МС-8 [12]

При работе сеялки МС-8 поток мощности от опорно-приводного колеса через консоль-редуктор и двойной цепной контур (рисунок 2) передается на вал высевающего аппарата, на котором закреплен высевающий диск. Норма высева устанавливается путем изменения передаточного числа трансмиссии за счет перестановки сменных шестерен консоль-редуктора [12].

В соответствии с данными рисунка 2 фактические передаточные числа трансмиссии iфакт определяются по формуле

і факт = 0,41 • А • В • Д , (1)

где А, Б, В, Г, Д и Е – количество зубьев соответствующих сменных шестерен (см. таблицу 1), шт.; 0,41 – коэффициент, учитывающий количество зубьев несъемных шестерен и звездочек цепных передач.

Как отмечалось ранее, теоретический ряд передаточных чисел в оптимуме должен соответствовать геометрической прогрессии. При этом приращение передаточных чисел будет переменным, т.е. передаче более высокого уровня будет соответствовать большее приращение соответствующего передаточного числа. Достижение такого эффекта на практике дополнительно затруднено вследствие наличия кинематических ограничений по межосевым расстояниям передач редуктора при замене зубчатых колес.

С учетом свойств геометрической прогрессии [13] составляющие теоретического ряда передаточных чисел трансмиссии вычисляют исходя из выражения i = i .а j     min

j - i

где j – номер соответствующей передачи;

q – знаменатель геометрической прогрес- сии.

^/ i   Л 1 - 1

q = m™

V i min J ,                   (3)

где ⁱmin , i max – фактические значения соответственно минимального и максимального передаточных чисел;

k – общее количество передаточных чисел для сеялки МС-8 k = 20 [12].

Проведем расчет еще двух рядов передаточных чисел – проектируемого (для iпр) и соответствующего ему теоретического (для iтеор2). Проектируемый ряд передаточных чисел, рассчитывался для того, чтобы сделать воз- можным проведение сравнения «технологического качества» трансмиссии. Значения этого ряда определялись таким же образом, как и для фактического, однако в предположении, что в одной из пар сменных шестерен А и Б количество зубьев было изменено с 20 и 26 на 18 и 28.

Расчетные значения фактического и теоретического ряда передаточных чисел для сеялки МС-8 представлены в таблице 2, а в графическом виде – на рисунке 3 а . Значения передаточных чисел для проектируемого и соответствующего ему теоретического рядов представлены на рисунке 3 б .

Таблица 2 – Варианты передаточных чисел трансмиссии сеялки МС-8

№ пер.	А	Б	В	Г	Д	Е	i факт	i теор
1	20	26	25	35	18	28	0,14	0,14
2	21	25	25	35	18	28	0,16	0,16
3	21	25	25	35	20	26	0,19	0,18
4	25	21	25	35	18	28	0,22	0,20
5	26	20	25	35	18	28	0,24	0,22
6	25	21	25	35	20	26	0,27	0,25
7	20	26	35	25	18	28	0,28	0,28
8	21	25	25	35	26	20	0,32	0,31
9	21	25	35	25	20	26	0,37	0,35
10	21	25	25	35	28	18	0,38	0,39
11	25	21	35	25	18	28	0,44	0,43
12	25	21	25	35	26	20	0,45	0,48
13	25	21	35	25	20	26	0,52	0,54
14	26	20	25	35	28	18	0,59	0,60
15	21	25	35	25	26	20	0,62	0,67
16	20	26	35	25	28	18	0,68	0,74
17	21	25	35	25	28	18	0,74	0,83
18	25	21	35	25	26	20	0,88	0,93
19	25	21	35	25	28	18	1,06	1,03
20	26	20	35	25	28	18	1,15	1,15

а

б

Рисунок 3 – Графики расчетных значений передаточных чисел

Сравнивая результаты расчетов проектируемого и фактического рядов передаточных чисел, можно сделать вывод, что внесенные в конструкцию трансмиссии изменения позволяют расширить диапазон изменения частот вращения высевающего диска. При этом визуально видно, что во втором случае (рисунок 3б) проектируемый ряд в меньшей степени соответствует теоретическому, чем для серийной трансмиссии сеялки. Однако объективная оценка сходимости теоретического и фактического (проектируемого) рядов передаточных чисел может быть проведена только на основе использования количественных оценок. В данном исследовании для сравнения полученных результатов предложено использовать критерий (условно – критерий

«неоптимальности» трансмиссии), который, по сути, отражает среднее значение отклонения фактических передаточных чисел от теоретических. Причем, поскольку в данном случае опре- деление среднегеометрического значения не применимо (т.к. отдельные показатели могут быть равны нулю), то критерий «неоптимально-сти» трансмиссии (далее – КНТ) определялся как выраженное в процентах среднее арифметическое относительных отклонений передаточных чисел (аналог коэффициента вариации).

j — k I i,       — i

КНТ = 100 У    — /k , % (4)

J-1 V у       теорj      у где iфактj – фактическое значение j-го передаточного числа трансмиссии;

i теорj – теоретическое значение j -го передаточного числа трансмиссии;

k – число передач трансмиссии.

Расчеты, проведенные с использованием формулы (4), а также данных таблицы 1 и рисунка 3, показали, что в первом случае (рисунок 3 а ) значение КНТ 1 =4,5%, а для второго случая (рисунок 3 б ) КНТ 2 =11,6%. Соответственно, введенные нами искусственно изменения конструкции трансмиссии сеялки МС-8 действительно привели к её ухудшению.

В целом предложенный критерий, при своей простоте, позволяет методом перебора или путем программирования определять наиболее рациональные сочетания шестерен (звездочек) редукторов или коробок передач трансмиссий посевных машин исходя из условия КНТ→min .

Заключение. Бесступенчатые передачи из-за ряда технических и технологических недостатков пока не получили широкого применения в конструкциях посевных машин. Подавляющее большинство сеялок по-прежнему оснащаются ступенчатыми трансмиссиями, основными узлами которых являются коробки передач или редукторы со сменными зубчатыми колесами (звездочками). Традиционно «оптимальность» выбора трансмиссии осуществляется путем визуального наложения теоретического и проектируемого рядов передаточных чисел. Однако объективная оценка сходимости таких результатов может быть проведена только на основе использования количественных оценок. В данном исследовании для этой цели предложено использовать критерий (условно – критерий

«неоптимальности» трансмиссии), который по сути отражает среднее значение отклонения фактических передаточных чисел от теоретических. Причем, поскольку в данном случае определение среднегеометрического значения неприменимо (т.к. отдельные частные показатели могут быть равны нулю), то критерий «неопти-мальности» трансмиссии определялся как выраженное в процентах среднее арифметическое значение относительных отклонений передаточных чисел. Предложенный критерий, при своей простоте, позволяет методом перебора или путем программирования определять наиболее рациональные сочетания шестерен (звездочек) редукторов или коробок передач трансмиссий посевных машин.