Закономерности изменения амплитуды колебаний и вероятностных оценок тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов

Введение. В технологии возделывания сельскохозяйственных культур обработка почвы является наиболее трудоемким процессом, на который в среднем приходится 35–40% энергетических затрат всего объема полевых работ и до 20% энергии, потребляемой в сельском хозяйстве.

Условия функционирования почвообрабатывающих агрегатов накладывают определенные требования на их конструкцию и эксплуатацию. Конструкция, методы и средства использования почвообрабаты- вающих агрегатов должны обеспечить минимизацию энергетических, трудовых и денежных затрат. Вновь создаваемые почвообрабатывающие машины и рабочие органы должны обладать лучшими показателями оценки энергоэффективности и качества работы.

В соответствии с этими требованиями отечественные и зарубежные ученые разрабатывают различные почвообрабатывающие рабочие органы и машины. Например, в перспективе намечается автоматизация контроля и управления процессов обработки поч- вы [1], обеспечивающие уменьшение уплотнения почвы, повышение производительности и энергоэффективности технических средств.

Определены общие тенденции в развитии технологий [2], в том числе и почвообработки: их адаптивность, индустриальность, их направленность на получение высококачественной продукции в соответствии с экологическими требованиями.

Также предлагается возобновление разработки системы технологий и машин со странами СНГ с учетом взаимной координации и интеграции, обеспечивающей резкое повышение эффективности сельскохозяйственного производства [2].

Учеными разрабатываются различные конструкции почвообрабатывающих рабочих органов, обеспечивающих снижение энергоемкости обработки почвы. Например, авторы работы [3] предлагают новую конструкцию рабочего органа с криволинейной поверхностью для снижения тягового сопротивления. Ими предложена методика расчета и обоснования геометрических параметров таких почвообрабатывающих рабочих органов.

В работе [4], которая посвящена обоснованию параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин с переменными углами рабочих поверхностей, приведена математическая модель движения частицы почвы по рабочей поверхности культиваторной лапы с дополнительными крошащими элементами.

Исследования, проведенные в Волгоградском государственном аграрном университете [5], посвящены изучению динамики движения упруго закрепленного рабочего органа культиваторного машинно-тракторного агрегата. Авторы работы [5] установили, что использование режима автоколебаний рабочих органов существенно влияет на устойчивость хода рабочего органа в вертикальной поверхности, амплитуда колебаний рабочего органа в горизонтальной плоскости может привести к повышенному истиранию почвенного фона рабочим органом и, как следствие, к повышению количества эродирующих частиц в почве и развитию ветровой эрозии.

На основе анализа амплитудно-частотных характеристик тягового сопротивления культиваторного рабочего органа авторами работы [6] установлены величина генерируемого виброускорения рабочего органа и влияние агрегатного состава почвы на возможность возникновения устойчивых его колебаний. Результаты исследований [6] свидетельствуют, что при содержании глины в почве от 44% возможна генерация виброускорений рабочего органа до значений, способствующих снижению прочностных характеристик почвы, а следовательно, и тягового сопротивления всего орудия; при содержании в почве песка более 63% генерация виброускорений рабочего органа невозможна.

В результате исследования процесса движения почвы по рабочей поверхности дискового культиватора автором работы [7] получены уравнения, описывающие траектории движения частиц почвы с учетом кон- кретных почвенных условий, характеризуемых основными механическими параметрами почвы, а также в зависимости от параметров рабочего органа и глубины обработки почвы. Обоснованы конструктивнотехнологические параметры, обеспечивающие качественную обработку почвы.

Краткий анализ исследований позволяет говорить о значимости проблемы повышения энергоэффективности технических средств путем совершенствования их конструкции, методов и средств управления процессами обработки почвы.

Результаты проведенных нами в ИАЭП (филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) собственных теоретических и экспериментальных исследований [8–10] показали эффективность разработки новых динамичных (адаптивных) почвообрабатывающих рабочих органов, обеспечивающих снижение энергоемкости и повышение качества обработки почвы.

С целью дальнейшей оптимизации конструкции и повышения эффективности работы почвообрабатывающих рабочих органов, наделенных свойствами динамичности, в составе почвообрабатывающих агрегатов необходимо установить закономерности изменения амплитуды колебаний и вероятностно-статистических оценок их тягового сопротивления.

Материалы и методы. При проведении исследований применялись методы математического моделирования, основанные на изучении физических закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы; экспериментальные исследования по энергооценке почвообрабатывающих рабочих органов, анализ и обобщение экспериментальных данных.

Целями исследований были получение экспериментальных данных, определение амплитуды колебаний и вероятностных оценок тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов, закономерности их изменения в зависимости от скоростных и нагрузочных режимов их функционирования.

Экспериментальные образцы динамичного почвообрабатывающего рабочего органа (Н.И. Джабборов, А.М. Захаров, Г.А. Семенова. Рабочий орган для рыхления почвы. Патент РФ на полезную модель 182130. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 3 августа 2018 г.) – рисунок 1, были испытаны на опытном поле экспериментальной базы «Красная Славянка» ИАЭП – филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ.

Эксперименты проводились в соответствии с ГОСТ Р 52777-2007. Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки. М.: Стандартинформ, 2008.

Экспериментальные данные получены с применением измерительно-информационного комплекса ИИК-ИАЭП.

Экспериментальные данные обрабатывались по методике, изложенной в работе [11].

Рисунок 1 – Почвообрабатывающие рабочие органы экспериментального агрегата: динамичный (слева) и нединамичный (справа)

Результаты исследований и их обсуждение. В качестве примера на рисунке 2 представлен фрагмент аналоговой формы записи тягового сопро- тивления динамичного и нединамичного (типового) почвообрабатывающих рабочих органов, показывающий случайный характер его изменения.

Рисунок 2 – Фрагмент аналоговой формы записи тягового сопротивления динамичного (2) и нединамичного (1) почвообрабатывающих рабочих органов (скорость движения 1,944 м/с, глубина обработки 15 см)

С использованием известных вероятностностатистических методов были определены количественные характеристики вероятностных оценок и амплитуды колебаний тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов. В качестве примера в таблице 1 приведены количественные характеристики вероятностных оценок и амплитуды колебаний тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих ор- ганов при фиксированном значении глубины обработки почвы на различных скоростных режимах их работы (таблица 1).

На рисунках 3–5 представлены графические зависимости среднего значения и амплитуды колебаний тягового сопротивления динамичного и нединамичного почвообрабатывающих рабочих органов от скорости их движения при глубине обработки почвы 10 см.

Таблица 1 – Количественные характеристики вероятностных оценок и амплитуды колебаний тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов при фиксированном значении глубины обработки почвы на различных скоростных режимах их работы

№	Режим работы, вид рабочего органа	Среднее значение тягового сопротивления Ra°- кН	Коэффициент вариации vp тягового сопротивления	Среднее значение амплитуды колебаний тягового сопротивления, кН	Степень уменьшения амплитуды колебания тягового сопротивления ΔА , кН (%)
1	Скорость движения V p = 1,111 м/с; глубина обработки почвы, см	–	–	–	–
	Динамичный	0,557	0,265	0,443	0,147 (24,91)
	Нединамичный	0,585	0,336	0,590	–
2	Скорость движения V p = 1,944 м/с; глубина обработки почвы, см	–	–	–	–
	Динамичный	0,555	0,149	0,248	0,106 (29,94)
	Нединамичный	0,634	0,186	0,354	-
3	Скорость движения V p = 2,778 м/с; глубина обработки почвы, см	–	–	–	–
	Динамичный	0,876	0,156	0,410	0,326 (44,29)
	Нединамичный	0,912	0,269	0,736	-

Рисунок 3 – Зависимости тягового сопротивления динамичного (2) и нединамичного (1) почвообрабатывающих рабочих органов от скорости их движения при глубине обработки почвы 10 см

Рисунок 4 – Зависимости амплитуды колебаний тягового сопротивления динамичного (2) и нединамичного (1) почвообрабатывающих рабочих органов от скорости их движения при глубине обработки почвы 10 см

Таблица 2 – Эмпирические зависимости для определения среднего значения и амплитуды колебания тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов от скорости их движения при фиксированном значении глубины обработки почвы (1,111 ≤ v_p ≤ 2,778 м /с)

Параметр	Размерность	Тип рабочего органа	Расчетная формула
Тяговое сопротивление с	кН	Динамичный	0,23233^ - 0,71217Pp + 1,0614
		Нединамичный	0,164671^ - 0,44425Pp 4- 0,8753
Амплитуда колебания тягового сопротивления	кН	Динамичный	0,25695^ - l,01908Pp 4- 1,2580
		Нединамичный	0,44472^ - 1,64193Ғр + 1,8652
Степень уменьшения амплитуды колебания тягового сопротивления	кН	Динамичный	0,18777^ - 0,62285Ғр + 0,60272
Степень уменьшения амплитуды колебания тягового сопротивления	%	Динамичный	6,69935^ - 14,428 ІОРр 4- 32,6704

Рисунок 5 – Зависимости степени уменьшения амплитуды колебаний ΔА (%) тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от скорости его движения при глубине обработки почвы 10 см

На рисунке 6 представлена зависимость степени уменьшения амплитуды колебаний ΔА тягового сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от скорости его движения при глубине обработки почвы 10 см.

Установлены эмпирические зависимости (таблица 2) для определения среднего значения и амплитуды колебания тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов от скорости их движения при глубине обработки почвы 10 см .

Эмпирические зависимости (таблица 2) справедливы в диапазоне изменения скорости движения V p = 1,111–2,778 м/с при глубине обработки почвы 10 см.

Результаты экспериментальных исследований позволили получить зависимость амплитуды колебаний ΔА тягового сопротивления динамичного рабочего органа от глубины обработки почвы и скорости перемещения рабочего органа V p в виде уравнения регрессии:

A 0,50908 0,08164 V + 0,00714 h +

+0,17928 V p ² 0,04239 V p h см 0,02883 h с ² м , кН.

Установленная математическая модель (1) является достаточно приемлемой для определения связей амплитуды колебаний со скоростью движения и глубины обработки почвы динамичными рабочими органами, о чем свидетельствует коэффициент детерминации R2 = 0,780.

Геометрическое представление полученной модели (1) в виде его поверхности представлено на рисунке 6.

Рисунок 6 – Поверхность отклика А( V p ; h см )

При обработке экспериментальных данных установлена статистическая стандартная ошибка выборочного среднего значения тягового сопротивления динамичных и нединамичных рабочих органов, которая варьировалась в пределах 0,021–0,028 кН.

При глубине обработки почвы 10 см, с повышением скорости движения с 1,111 до 2,778 м/с, степень уменьшения амплитуды колебаний тягового сопротивления динамичных рабочих органов колеблется в пределах 24,91–44,29%.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением глубины обработки почвы более 10 см и повышением скорости движения с 1,111 до 2,778 м/с среднее значение и амплитуда колебаний тягового сопротивления рабочих органов увеличиваются, как и степень уменьшения амплитуды колебаний.

Уменьшение среднего значения и амплитуды колебаний тягового сопротивления рабочих органов при их работе на небольшой глубине обработки почвы 5 см с повышением скоростного режима с 1,111 м/с (таблица 1, рисунки 3–5) вероятнее всего связано с ролью верхней и нижней части пахотного слоя. Объемная масса почвы, процесс стружкообразования в почве, динамическое давление силы тяжести пласта, воспринимаемое долотом, в верхнем слое почвы меньше, по сравнению с нижним слоем, на глубине более 10 см.

Здесь также играет важную роль динамика воздействия рабочих органов на почву, которая зависит от скорости перемещения рабочих органов, твердости и плотности почвы и других факторов. Следовательно, общая картина процесса обработки почвы динамичными рабочими органами представляет собой отдельную проблему и требует более глубокого изучения.

Приведенные материалы не исчерпывают всех тех вопросов, которые могут возникнуть при изучении влияния скоростных и нагрузочных режимов работы почвообрабатывающих рабочих органов на среднее значение и амплитуды колебаний тягового их сопротивления.

Они концентрируют внимание на закономерности изменения оценочных показателей работы почво- обрабатывающих рабочих органов и в дальнейшем будут использованы при оптимизации конструкции и повышении их эффективности.

Выводы. Выведенные эмпирические зависимости позволяют установить связь амплитуды и среднего значения тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов со скоростью их движения и глубины обработки почвы.

Разработка новых почвообрабатывающих рабочих органов обеспечивает снижение тягового сопротивления путем существенного снижения амплитуды его колебаний на 14–55% за счет свойства их динамичности.

Установленные закономерности изменения амплитуды колебаний и вероятностно-статистических оценок их тягового сопротивления в дальнейшем могут быть учтены при создании и испытании почвообрабатывающих машин с рабочими органами, наделенными свойствами динамичности.