Определение тягового сопротивления при обработке дополнительным плоскорежущим рабочим органом

В данной статье рассмотрен вопрос определения тягового сопротивления лемешного плуга при использовании дополнительных плоскорежущих рабочих органов. Определены экспериментальным путем зависимости и оптимальные геометрические размеры разработанных дополнительных рабочих органов.

Ключевые слова: плуг, почва, ширина захвата, давление, качество обработки, рабочий орган, энергосбережение, нагрузка, отвал, рабочая поверхность.

Кубанский государственный аграрный университет всегда занимал ведущее место в области инновационных разработок в сфере агропромышленного комплекса. Кафедра «Процессы и машины в агробизнесе» ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ проводит исследования в области средств механизации основной обработки почвы. Работа направленна на разработку рабочих органов к лемешному плугу [1], [2]. Предлагается конструкция корпуса лемешного плуга (рис.1) конструкция представляет собой в виде батарей дисков расположенных на индивидуальных грядилях за каждым корпусом лемешного плуга. Предположительно, что данная конструкция позволит улучшить качественные показатели работы пахотного агрегата.

Известно также, что у плугов полевая доска прижимается к стенке борозды с усилием, равным поперечной составляющей сопротивления почвы. Пропорционально этому усилию и появляется сопротивление трению скольжения. Установка плоскорежущей бритвы со стороны полевого обреза под углом α=15–45° к направлению движения плуга противоположно углу наклона лемеха плуга, обеспечивает зеркальное отображение лемеха плуга и вызывает поперечное сопротивление по знаку противоположное поперечной составляющей сопротивления почвы лемеху и отвалу плуга. Это приводит к уменьшению результирующей поперечных направлению движению сил, а равно и к уменьшению сил сопротивления трению полевой доски о почву стенки борозды.

Сущность предлагаемой конструкции поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображен плуг (вид сверху): на фигуре 2 общий вид корпуса плуга; на фигуре 3 общий вид корпуса плуга в аксонометрии, фиг. 4 — вид А.

Плуг, содержит раму 1, установленные на ней плужные корпуса 2, каждый из которых состоит из стойки 3, лемеха 4, отвала 5 и регулируемой по высоте плоскорежущей бритвы 6 которая установлена на стойке 3 со стороны полевого обреза под углом α= 15–45°(Фигура 4 вид А) к направлению движения плуга противоположно углу наклона лемеха плуга и имеет ширину, равной ширине захвата одного корпуса плуга, такая установка плоскорежущей бритвы обеспечивает зеркальное отображение лемеха плуга. Установка плоскорежущей бритвы под углом α= 15–45° обусловлена тем, что работа плоскорежущей бритвы, установленной в заданных пределах, обеспечивает оптимальные параметры крошения почвы на заданной глубине обработки.

Рис. 1. Изобретения по патенту № 2491807

Согласно патенту плуг RU 2491807 C1был изготовлен лабораторный образец и проведены его испытания [2], [3]. Плуг рисунок 2.2 содержит раму с установленными плужными корпусами, каждый из которых состоит из стойки, лемеха, отвала и плоскорежущей бритвы. Плоскорежущая бритва установлена на стойке со стороны полевого обреза под углом 15–45° к направлению движения плуга с возможностью регулирования по высоте. Плоскорежущая бритва установлена противоположно углу наклона лемеха плуга и имеет ширину, равную ширине захвата одного корпуса плуга. Такое конструктивное выполнение позволит повысить степень крошения почвы за счет ее дифференцированной по глубине обработки основным и дополнительным рабочими органами в зависимости от состояния почвы и предшественника, а также снижение тягового сопротивления плуга за счет снижения давления полевой доски о стенку борозды.

Работы проводятся на базе патентов РФ № 2491807; 136275; 136674 позволяющих повысить качество оборота пласта при минимальных затратах энергии.

Исследования проводятся на территории Краснодарского края. Выбор марки трактора осуществлялся исходя из того что нами был создан рабочий пахотный агрегат марки ПЛН-4–25, и по эксплуатационным характеристикам нам подходил трактор марки МТЗ-80 класса 1,5–2 тонны [2], [3].

Этот трактор пользуется предпочтением у производственников в силу своей универсальности, позволяющей использовать его с высокой степенью загрузки в течение всего года. В отличие, например, от гусеничных тракторов.

Для проведения лабораторных и полевых исследований была изготовлена специальная установка рисунок 2, с помощью которой можно было производить полевые испытания.

Рис. 2. Кинематическая схема переходной рамы к трактору МТЗ: 1 — остов трактора; 2 — маятниковый узел; 3 (ВС) — несущий элемент переходной рамы; 4 — первичный измерительный преобразователь силы (консольная балка) равного сопротивления с тензорезисторами; 5 — подшипники; 6 — регулируемый упор; 7 — продольные тяги трактора; 8 — центральная тяга трактора; 9 — навешиваемая машина с рабочими органам

При рассмотрении факторов влияющих на производительность и качество обработки учитывалось их расположение в пространстве относительно друг друга и их геометрические размеры [5], [6], [7], [8].

Анализ непрерывных симметричных планов второго порядка показал, что максимальное значение определителя информационной матрицы достигается в том случае, когда моменты плана соответственно равны.

Для этого использовали ортогональный симметричный план (звездные точки которого равны ±1). Изучалось влияние двух факторов и фиксированы их значения на оптимальных уровнях. Факторы, интервалы и уровни варьирования представлены в таблице 1

Таблица 1

Факторы, интервалы и уровни варьирования

На качество обработки влияет скорость движения и диаметр ротационного рабочего органа.

Уровни факторов выбирали таким образом, чтобы оптимальные их значения, рассчитанные теоретически или учитывающие существующие ограничения, попадали в центр интервала варьирования.

Максимальным значением для первого фактора x₁ являлось ширина захвата плоскорежущей бритвы равной n_max = 300 мм. и снижались до n_min = 0 мм, что соответствовало интервалу варьирования.

Для второго фактора х₂ значения, являлось значение скорости движения пахотного агрегата k_vmax = 10,76 и снижался до k_vmin = 5.34 что соответствовало интеpвалу варьирования.

На основании этих рассуждений были выбраны интервалы варьирования и уровни факторов, значения которых занесены в таблицу 1. Матрица планирования представлена в таблице 2. Опыты проводили согласно описанной выше методике. Порядок проведения опытов выполнялся согласно таблице случайных чисел. Средние величины параметров оптимизации представлены в таблице 2 [5], [6], [7].

Таблица 2

Матрица планирования при оптимизации показателей работы лемешного плуга с ротационными рабочими органами.

После математической обработки экспериментальных данных получили следующие уравнения регрессии [5]:

            (1)

где Y — производительность плуга при взаимодействии 1 и 2 фактора.

Выполняя каноническое преобразование и решая систему линейных уравнений, находим координаты центра поверхности отклика

X₁= -0,05436, X₂= -0.02451

Подставляя найденные значения х₁, х₂ в уравнение (1) определяем значение параметра оптимизации в центре поверхности отклика.

Угол поворота осей a равен -6,27 градусов, а коэффициенты регрессии в канонической форме равны: В₁₁ = 9,22; В₂₂ = 3,54.

Уравнение регрессии в канонической форме

                                                                       (2)

Один из коэффициентов канонического уравнения равен нулю, при этом центр фигуры находится в бесконечности. Поверхность отклика является возрастающим возвышением (гребнем). В этом случае можно поместить начало координат в какую-либо точку (обычно вблизи центра эксперимента) на оси, соответствующей незначимому коэффициенту канонического уравнения, и получить таким образом уравнение параболы. Например, если равен нулю В₂₂ то выбрав новый центр s', можно получить уравнение параболы , где В₂ — коэффициент, определяющий крутизну наклона возвышения, т. е. скорость увеличения параметра оптимизации по оси . В практических задачах часто центр фигуры s удален за пределы той области, где проводился эксперимент, и тогда один из коэффициентов (В₁₁ или В₂₂) близок к нулю. В этом случае в зависимости от наклона, поверхность отклика будет аппроксимироваться либо стационарным, либо возрастающим возвышением.

Подставим различные значения отклика Y в канонические уравнения (2) было получено семейство сопряженных изолиний (рис. 3). Расположение элементов производительности в области эксперимента напоминало поверхность типа «эллипса». Центр эксперимента находится в переделах области эксперимента. Максимальная производительность в данном случае будет при ширине захвата плоскорежущей бритвы равна 190,54 мм. и скорости движения 6,15 км/ч.

Рис. 3. Поверхность зависимости ширины захвата плоскорежущего рабочего органа от скорости движения пахотного агрегата

Анализом данных агротехнической оценки установлено, что значение показателей качества выполнения технологического процесса агрегата МТЗ-80 + ПЛН-4×25, укомплектованного плоскорежущими бритвами № 2, незначительно лучше, чем у агрегатов, укомплектованных плоскорежущими бритвами № 1 и серийными полевыми досками, при сравнимых условиях на одинаковых передачах, одинаковой установочной ширине захвата (105 см) и глубине рабочих органов (22 см), в одинаковых агротехнических условиях.

Данные энергетической оценки свидетельствуют, что значение показателей тяговых сопротивлений плугов с плоскорежущими бритвами № 1 № 2 соответственно на 9,16–13,35 % и 15,27–20,54 % меньше, чем у плуга с полевыми досками. При этом мощность, затрачиваемая на выполнение техпроцесса плугами с плоскорежущими бритвами № 1 и № 2 соответственно на 6,07–7,78 % и 10,35–13,77 % меньше, чем у плуга с полевыми досками. Значение показателей удельных тяговых сопротивлений плугов с плоскорежущими бритвами № 1 и № 2 соответственно на 9,03–13,22 % и 15,5–20,6 % меньше, чем у плуга с полевыми досками.

Анализом данных, составляющих баланса мощности загрузки двигателя трактора, установлено, что общая потребляемая мощность агрегатами МТЗ-80 + ПЛН-4х25 с плоскорежущими бритвами № 1 и № 2 соответственно на 4,0–5,42 % и 6,81–9,59 % меньше, чем у агрегата с полевыми досками. Дозагрузка двигателя по мощности обеспечивалась затратами на самопередвижение трактора и изменялась в пределах от 10,1 до 13,6 кВт, что соответственно составляет 30,3–36,7 % от расходуемой мощности двигателя энергосредства.

Удельные энергозатраты агрегатов с плоскорежущими бритвами № 1 и № 2 соответственно на 5,66–10,04 % и 9,98–15,05 % меньше, чем у агрегата с полевыми досками, а их составляющие затраты непосредственно на действия рабочих органов соответственно на 7,72–12,29 % и 13,41- 18,95 % меньше чем у плуга с полевыми досками.

Анализ изменения удельного расхода топлива показал, что он у агрегатов с плоскорежущими бритвами № 1 и № 2 соответственно на 6,9–7,34 % и 10,56–11,24 % меньше, чем у агрегата с полевыми досками.

Необходимо отметить, что характер изменения удельных энергозатрат на выполнение техпроцесса, а также их составляющие (затраты непосредственно на работу рабочих органов) имеют ярко выраженную тенденцию увеличения по мере увеличения скорости движения и производительности, а удельный расход топлива снижается по мере загрузки двигателя трактора.

Результатами испытаний установлено, что плуг ПЛН-4х2,5, укомплектованный плоскорежущими бритвами с большей шириной захвата, на вспашке почвы имеет несколько лучшее качество выполнения техпроцесса и меньшую энергоемкость в сравнении с плугом с плоскорежущими бритвами с меньшей шириной захвата и серийными полевыми досками. Получена конструкция комбинированного лемешного плуга с дополнительными плоскорежущими рабочими органами. Составлена матрица планирования эксперимента. Получены поверхности отклика, зависимости ширины захвата плоскорежущего рабочего органа от скорости движения пахотного агрегат, из которого видно, что при увеличении коэффициента ширины захвата плоскорежущей бритвы происходит уменьшение производительности, а соответственно и ухудшение качественных показателей работы лемешного плуга.

— Обоснованы факторы влияния на производительность (ширина захвата плоскорежущей бритвы и скорость движения). С использованием планирования двухфакторного эксперимента по ортогональному плану определены оптимальные параметры режимов работы лемешного плуга при условии выполнения исходных требований к качеству обработки. Согласно полученному уравнению регрессии по критерию максимальной производительности лемешной обработки почвы центр эксперимента находится в переделах области эксперимента при этом максимальная производительность в данном случае будет при ширине захвата плоскорежущей бритвы 190,54мм. и скорости движения 6,15 км/ч.

Литература:

1.         Белоусов С. В. Конструкция комбинированного лемешного плуга и исследование его тягового сопротивления в составе машинотракторного агрегата [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Молодой ученый. — 2015. — № 5. — С. 217–221.

2.         С. В. Белоусов, А. И. Лепшина, М. Е. Трубилин Лемешный плуг для обработки почвы с оборотом пласта Сельский механизатор № 3 2015 год стр. 6–7.

3.         Патент RU 2491807C1 Трубилин Е. И., Сидоренко С. М., Сохт К.А, Белоусов С. В., Осипова С. М. ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет. Опубликовано 10.09.2013 года. Бюл. № 15.

4.         Тяговое усилие лемешного плуга в зависимости от скорости и ширины захвата плоскорежущей бритвы. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2014615232. Белоусов С. В., Цыбулевский В. В., Трубилин Е. И. 2014.

5.         Каноническое преобразование уравнения зависимости тягового сопротивления лемешного плуга. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2014615233. Белоусов С. В., Цыбулевский В. В., Трубилин Е. И. 2014.

6.         Графики зависимости тягового сопротивления лемешного плуга. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2014615230 Белоусов С. В., Цыбулевский В. В., Трубилин Е. И. 2014.

7.         Результаты экспериментальных исследований определение степени тягового сопротивления лемешного плуга при обработке тяжелых почв. Белоусов С. В., Трубилин Е. И., Лепшина А. И., Политематический Электронный Научный журнал КубГАУ, № 103(09), 2014 года. (14 стр).

8.         Экономическая эффективность отвальной обработки почвы разработанным комбинированным лемешным плугом Белоусов С. В., Трубилин Е. И., Лепшина А. И., Политематический Электронный Научный журнал КубГАУ, № 103(09), 2014 года. (19 стр).