Тяговое сопротивление игольчатой бороны в полевых условиях

Введение. В настоящее время усилия ученых, занимающихся решением задачи уменьшения тягового и удельного сопроти вления 53

сельскохозяйственных машин, направлены прежде всего на разработку более совершенных с точки зрения энергоемкости рабочих органов и технологий проведения полевых работ.

Факторы, влияющие на тяговое сопротивление машины, можно классифицировать следующим образом: природно-климатические (тип и состояние почвы, рельеф, каменистость, метеорологические условия); конструкционные (тип, форма и количество рабочих органов, материал, из которого они изготовлены и технологии изготовления, вес машины, тип и конструкция ходового аппарата и т.п.); эксплуатационные (техническое состояние машины, правильность регулировок, степень износа рабочих органов).

Именно поэтому исследования, направленные на улучшение качественных и энергетических показателей технологических процессов обработки почвы иголочными боронами, угол заострения игл которых может меняться, особенно в условиях их применения для мелкого поверхностного рыхления почвы в природно-климатических зонах, подверженных ветровой эрозии, являются актуальными.

Анализ исследований и публикаций. Технологический процесс, который осуществляют ротационные рабочие органы типа игольчатый диск, игольчатая мотыга, заключается в том, что при свободном перекатывании их в слое почвы иглы, войдя в грунт, сминают и сдвигают его в направлении вращения. При этом происходит частичное отбрасывание грунта назад и в стороны, рыхление пласта, крошение глыб, заделывание растительных остатков и извлечение их из почвы, а также уничтожение сорняков и разравнивание неровности микрорельефа.

Кинематику ротационных рабочих органов, в частности дисковых, рассматривали многие исследователи [1-4]. Наиболее полный анализ кинематики сферических дисков различных типов с необходимыми исходными данными для расчета и конструирования дисковых машин, приведен в [5-7].

Однако зависимости тягового сопротивления (горизонтальной и вертикальной составляющих) игольчатых дисков без привода от глубины обработки почвы, скорости агрегата и угла заострения игл, на наш взгляд, еще недостаточно изучены.

Цель исследований – повышение качества обработки почвы благодаря усовершенствованию технологических процессов и конструкции игольчатой бороны, угол заострения игл которой может изменяться; определение значений тягового сопротивления экспериментальной секции игольчатой бороны.

Методика исследований. Исследование процесса обработки почвы экспериментальной и серийной секциями игольчатой бороны проводили на экспериментальной установке (рис. 1), которая состоит из основной рамы 1, на которой установлены экспериментальная 2 и серийная 3 секции. Экспериментальная секция игольчатой бороны состоит из ряда игольчатых дисков 4 (рис.1), оси которых жестко связаны друг с другом. Каждый диск имеет ступицу 5, ось 6, втулку 7 и иглы 8, жестко соединенные с ступицей. Игла 8 представляет собой прямолинейный стержень, который радиально закреплен на диске, форма которого в средней части близка к цилиндрической; в конечной части каждая игла выполнена в виде конуса и заканчивается острием. Для повышения жесткости в средней своей части иглы могут быть выполнены совместно с ребрами жесткости. При движении дисков с иглами конец каждой иглы описывает в воздухе циклоиду. Начало формы

Рисунок   1   – Экспериментальная установка для эксплуатационно-технологической и энергетической оценки секции игольчатой бороны: 1–рама; 2–экспериментальная секция; 3–серийная секция; 4–диск игл

Во время движения экспериментальной установки диск с иглами вращается вокруг оси, которая закреплена на раме 1. Аналогично на отдельной оси закреплена секция серийного культиватора, которая вращается вокруг собственной оси. Экспериментальная установка обеспечивает движение секций на одинаковой высоте от поверхности почвы.

Методика проведения исследований включала выбор участка с характерным для данного поля покрытием. Тяговое сопротивление секций серийной и экспериментальной борон, установленных на общей раме, определяли при условии установки на экспериментальной секции игл с разным углом конуса (5º, 7º и 9º). Агрегатирование экспериментальной установки осуществляли трактором МТЗ-80. Количество повторностей - три. Минимальная длина пути агрегата составляла 40 м. Ее размеры установлены из условий обеспечения допустимой погрешности не более 2% и надежности 0,95.

В экспериментальных исследованиях использовали плоскостной способ, который обеспечивает определение результирующей силы, действующей между трактором и орудием, в одной плоскости (продольно - вертикальной). Метод (динамометрических) тензометрических рамок представляет собой одну из схем динамометрического трактора. При этом специальная пластина, расположенная на рамке, крепится на испытываемой секции и имеет только одну степень свободы: в продольном или вертикальном направлении. Эта степень свободы ограничивается силоизмерительным тензозвеном. Определяли зависимость горизонтальной и вертикальной составляющих тягового сопротивления от глубины обработки почвы, скорости агрегата и угла заострения игл (трехфакторный эксперимент).

Результаты исследований. Исследования тягового сопротивления проведены на трех скоростях 1,9 м/с, 2,77 и 3,05 м/с.

Результаты исследований силы сопротивления серийной (секция культиватора-рыхлителя УСМК-5,4) и экспериментальной секции игольчатой бороны приведены на рис. 2.

По результатам проведенных исследований установлено, что увеличение глубины и скорости обработки почвы приводит к увеличению значения результирующего тягового сопротивления для всех игл (рис. 2). Отмечено, что экспериментальная секция игольчатой бороны удовлетворительно выполняет технологический процесс в условиях, которые наблюдались при проведении исследований и были типичными для технологической операции поверхностной обработки почвы.

Значение результирующей силы сопротивления экспериментальной секции игольчатой бороны, которая состояла из дисков с иглами различных углов заострения (5º, 7º, 9º), на всех режимах испытаний (скоростях 1,9 - 3,05 м/с, глубины обработки 4 - 8 см), была меньше.

По сравнению с серийной секцией УСМК-5,4, результирующее тяговое сопротивление экспериментальной секции было меньше для игл с углом заострения 5º на 30%, а для игл с углом 7º на 17%. Для игл с углом заострения 9º значение результирующего тягового сопротивления соответствовало тяговому сопротивлению серийной секции с отклонением ± 2%.

Установлено, что увеличение скорости от 1,9 м/с до 3,05 м/с приводит к росту результирующей силы тягового сопротивления для секции на глубине 4 см с углом заострения иглы: 5º на 16%, 7º - на 11%, 9º - 6%; на глубине 6 см: 5º на 7%, 7º -7%, 9º - 14%; на глубине 8 см: 5º на 5%, 7º -12%, 9º - 24% соответственно. Увеличение глубины обработки от 4 до 8 см приводит к росту результирующей силы тягового сопротивления для секции с углом заострения иглы 5º на 3347%, 7º - 45-47%, 9º - 37-61%. В среднем увеличение скорости движения приводит к росту тягового сопротивления на 5-24%, а глубины обработки почвы на 37-61%.

По сравнению с серийной секцией тяговое сопротивление экспериментальной было меньше для игл с углом заострения 5º на 230%, 7º - 4-17%. Для игл с углом заострения 9º значение результирующего тягового сопротивления примерно равно тяговому сопротивлению серийной секции УСМК 5,4.

Получены уравнения регрессии [8] усилия сопротивления от следующих факторов: угла заострения иглы, скорости и глубины погружения иглы

Y = - 81,48 + 3,83 ■ a + 39,84 ■ h + 4,66 -u - 2,58 ■ h ².

Анализируя уравнение регрессии и построенные по ним зависимости (рис. 2), пришли к выводу, что увеличение угла заострения приводит к росту силы сопротивления, действующей на почву. При малых значения угла конусности меньше будет и значение усилия, под действием которого игла проникает в почву и разрушает ее. Глубина погружения иглы в почву является основным фактором, который влияет на значение силы сопротивления.

в )

Y ( усилие = - 81,48 + 3,83 • а ( угол ) + 39,84 • h ( глубина ) +

4,66 • v ( скорость ) - 2,58 • h ²( глубина ²) R² = 0.8978

Рисунок 2 - Зависимость результирующей силы сопротивления экспериментальной секции игольчатой бороны от скорости и угла заострения ( а ); глубины погружения и угла заострения иглы ( б ); глубины погружения и скорости движения ( в )

Оптимальными и допустимыми режимами работы агрегата с экспериментальной секцией игольчатой бороны, обоснованными по критерию минимума затрат энергии и качества выполнения технологического процесса, являются режимы при которых поступательная скорость движения составляет 2.77-3.05 м/с, а угол заострения иглы 7°.

Оценка однородности результатов осуществлялась путем нормирования экспериментальных данных. Проверка соответствия распределения экспериментальных данных нормальному закону проводилась по критериям Колмогорова, омега-квадрат и хи-квадрат [10].

Выводы . По результатам исследований экспериментальной секции игольчатой бороны установлено, что ее результирующее значение тягового сопротивления по сравнению с серийной секцией УСМК-5,4 было меньше для игл с углом заострения 5° на 30%, углом 7º на 17%. Для игл с углом заострения 9º значение результирующего тягового сопротивления соответствовало тяговому сопротивлению серийной секции с отклонением ± 2%. Установлено, что увеличение скорости движения приводит к росту тягового сопротивления на 524%, а глубины обработки почвы на 37-61%.

Отмечено, что глубина погружения иглы в почву является наиболее весомым фактором, который влияет на значение силы сопротивления.

• V.A. Shevchenko, Doctor Sc. (Eng.), Head of department, National Scientific Center " Institute for Agricultural Engineering and Electrification", e-mail: vsheychenko@mail.ru , tеl.: +380503839532, Ukraine, Glevakha;

• V.V. Shevchuk, Candidate of science (Eng.), Uman National University of Horticulture, Ukraine, Uman.