Пути и методы снижения энергоемкости процесса лемешной вспашки

 

В данной статье рассмотрена вопрос снижения энергоемкости процесса основной обработки почвы, а также конструкции которая позволяет повысить количественные и качественные показатели процесса основной обработки почвы.

Ключевые слова:плуг, ширина захвата, рабочий орган, энергосбережение, рабочая поверхность.

 

Механическое воздействие плуга на почву сопровождается сопротивлением, величина которого зависит от множества факторов. Многие исследователи, определив взаимосвязь между физико-механическими свойствами почвы и ее качественных показателей обработки, приводят различные формы расчетов по различным формулам. Они направлены на определение тягового сопротивления при вспашке различными почвообрабатывающими орудиями. Также ведущие ученные выделяют несколько факторов, которые влияют на качество вспашки и на сам энергетический процесс обработки почвы:

          физико-механические (твердость, липкость, влажность, скважность и т. д.)

          технические (тип конструкции почвообрабатывающего агрегата, его состояние, регулировка и т. д.)

          технологические (способ обработки, глубина вспашки, скорость обработки и т. д.)

Также общепринятым является мнение, что тяговое сопротивление почвообрабатывающего агрегата складывается из полезных и вредных сопротивлений его рабочих органов. Величина полезных сопротивлений зависит от размеров и геометрических форм используемых лемехов и плужных корпусов, глубины обработки, а также от фрикционных свойств используемых материалов при изготовлении рабочих органов. Вредные сопротивления зависят от величины силы трения полевых досок о вертикальную стенку борозды, от степени износа лезвий рабочих органов, от нагрузки на опорные колеса движителя и тележки рабочих органов, а также сопротивления их перекатыванию [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7].

В работах многих ученных определены зависимости и выявлены закономерности влияния отельных факторов на энергоемкость процесса обработки почвы различными орудиями. Принимая во внимание эти обстоятельства можно составить и представить классификацию путей снижения энергозатрат на обработку почвы.

В качестве основных методов снижения энергетических затрат на вспашку принимаются следующее:

          — снижение усилий на деформацию почвы;

          — снижение сил трения;

          — оптимизация параметров рабочих органов и режимов работы машино-тракторных почвообрабатывающих агрегатов;

          — совершенствование конструкций почвообрабатывающих машин;

          — применение комбинированных машин и орудий;

          — переход на энергосберегающие технологии.

Взаимосвязь всех этих показателей показано на рис. 1. Данная схема наиболее полно показывает картину взаимосвязи влияния тех или иных факторов на энергоемкость процесса вспашки. Однако при анализе схемы можно судить, что на настоящий момент ни одно из вероятных направлений не получило широкого применения в промышленности кроме использования перьевых отвалов.

Это объясняется тем, что во многих случаях усложняется конструкция плуга, требуется установка сложных дополнительных рабочих органов, для эксплуатации которых необходима более высокая степень квалификации механизатора, это в свою очередь ведет к увеличению металлоемкости и габариты орудия.

Результаты исследований показывают, что наименее металлоемким является лемешный плуг, который содержит три рабочих корпуса. Дальнейшее увеличение числа корпусов ведет к увеличению удельной металлоемкости на 12–14 %.

Уменьшение удельной металлоемкости, а вместе с тем и снижение расхода топлива достигается за счет применения более прочных или легких материалов, дальнейшее усовершенствование конструкции отдельных рабочих органов лемешного плуга [4], [5], [6], [7].

В мировой тенденции на настоящий момент намечается тенденция увеличение ширины захвата корпусов лемешного плуга или вариациях ширины их захвата непосредственно на раме лемешного плуга. В классической схеме плуга заложен нерациональный принцип влияющий на энергоемкости процесса обработки почвы с оборотом пласта. Значительный расход энергии на перемещение пласта почвы свидетельствует о существенной недоработке в конструкции корпусов лемешных плуга.

Рис. 1. Структурная схема возможных методов снижения энергетических затрат на вспашку

 

Разработанный нами лемешный плуга, а именно дополнительный рабочий орган имеет ряд конструктивных особенностей рис.2. Расположение дополнительных рабочих органов на корпусе лемешного плуга не ведет за собой усложнение конструкции. Использование дополнительного рабочего органа в виде дополнительного плоскорежущего рабочего органа расположенного на корпусе лемешного плуга ведет к увеличению качественных и количественных показателей работы пахотного агрегата.

Рис. 2. Разработанный дополнительный рабочий орган

 

Техническим результатом предлагаемой конструкции является плоскорежущий рабочий орган с дополнительным углом атаки, с обоснованными областями размещения по всей площади прорезей, обеспечивающими снижение тягового сопротивления и качества обработки почвы — полноты подрезания почвы и улучшение качественных показателей работы по всей ширине обработки почвы до полного износа плоскорежущего рабочего органа.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что прорези плоскорежущего рабочего органа расположены в области рабочего органа, учитывающей износ детали в процессе ее эксплуатации, и предельно допустимую общую площадь прорезей, при которой сохраняется требуемая прочность конструкции, обеспечивается более высокая устойчивость работы пахотного агрегата. При данном техническом решении улучшается количественные и качественные показатели обработки пересушенных почв, а при обработке влажных или переувлажненных почв обработка происходит без налипания и как следствие снижение тягового сопротивления пахотного агрегата.

Более подробно сущность конструкции можно объяснить следующим образом: при обработке почвы почвообрабатывающими рабочими органами возникают граничные поверхности между почвой и поверхностью рабочих органов, а конкретней, между почвой и сталью, а именно между прилегающими друг к другу почвенными телами — между тонким слоем почвы, налипшей на рабочий орган и пластом почвы, поверхности рабочего органа. В общем случае при таких относительных перемещениях возникают напряжения, действующие поперек поверхности раздела двух тел — пласта почвы о материал плоскорежущего рабочего органа, т. е. о сталь и пласта почвы о почву, налипшую на поверхность рабочего органа. Нормальная составляющая этого напряжения вызывает силы трения скольжения, тангенциальная составляющая которой есть напряжение сдвига, обусловленное трением [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10].

По заключению А.Кулен и Х.Куиперс зависимость характеристик почвы и материала из условий налипания почвы на диске можно выразить выражением нормальной составляющей общего напряжения P.

(1)

где а — адгезия;

с — когезия;

φ — угол внутреннего трения;

 — коэффициент трения почвы о материал плоскорежущего рабочего органа (сталь).

Следовательно, продвижению почвы без налипания будет способствовать возрастание σп. Поэтому в этой связи целесообразно применение плоскорежущего рабочего органа с прорезями, которые увеличивают σп, так как , где S — общая площадь контакта почвы с поверхностью рабочего органах диска, Pn — нормальная составляющая общего напряжения Р.

Трение почвы при скольжении её по рабочей поверхности и прилипание — явления разные, но они проявляются одновременно. Заметим при этом, что, если сопротивление трению скольжения не зависит от площади их прилегания друг к другу т. е. F= ƒN, то сопротивление скольжению от прилипания зависит от площади их контакта S. Вызываемое ими общее сопротивление скольжению Т характеризуется следующим уравнением [4].

(2)

где F — сопротивление скольжению почвы о сталь (о поверхность плоскорежущего рабочего органа);

Tпр –сопротивление скольжению от прилипания;

pо — коэффициент касательных сил удельного прилипания при отсутствии нормального давления;

ƒ — коэффициент трения скольжения;

S — площадь контакта почвы с поверхностью поверхность плоскорежущего рабочего органа;

p — коэффициент касательных сил удельного прилипания, вызываемого нормальным давлением.

Анализ выражения (2) тоже показывает, что общее сопротивление Т можно снизить путем уменьшения площади возможного прилипания. Поэтому с точки зрения снижения тягового сопротивления необходимо повышать площадь прорезей поверхности плоскорежущего рабочего органа и при этом пределом увеличения площади выреза может быть только сохранение требуемой прочности поверхности рабочего органа. Расположение прорезей плоскорежущего рабочего органа с рекомендуемыми геометрическими параметрами обеспечит снижение тягового сопротивления пахотного агрегата, повысит его проходимость при обработке почвы, снизит тяговое сопротивление, обеспечит устойчивое движение пласта почвы и подрезание сорняков по всей ширине обработки, то есть обеспечит достижение технического результата [5], [6], [8], [11], [12], [13], [16].

Анализ проделанной работы свидетельствует о том, что разработка дополнительных рабочих органов для совершенствования процесса основной обработки почвы, дает возможность улучшить качественные и количественные показатели данной технологической операции. Данные качества обработки почвы подтвердились при проведении полевых опытов, а основные конструктивные элементы запатентованы. Использование дополнительных органов заявленной конструкции позволяет производить основную обработку почвы с меньшими затратами на ГСМ и как следствие добиваться более качественных показателей по выращиванию сельскохозяйственной продукции [7], [8], [9], [10], [14], [15], [17].

 

Литература:

 

1.      Дисковые бороны и лущильники в системе основной и предпосевной обработки почвы. Проблемы и пути их решения / Е. И. Трубилин, К. А. Сохт, В. И. Коновалов, С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2013. — № 04(088). С. 662–671. — IDA [article ID]: 0881304045. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/45.pdf, 0,625 у.п.л.
2.      Трубилин Е. И. Экономическая эффективность отвальной обработки почвы разработанным комбинированным лемешным плугом / Е. И. Трубилин, С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 09(103). С. 654–672. — IDA [article ID]: 1031409040. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/40.pdf, 1,188 у.п.л.
3.      Трубилин Е. И. Результаты экспериментальных исследований определение степени тягового сопротивления лемешного плуга при обработке тяжелых почв / Е. И. Трубилин, С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 09(103). С. 673–686. — IDA [article ID]: 1031409041. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/09/pdf/41.pdf, 0,875 у.п.л.
4.      Белоусов С. В. Расчет основных параметров разбрасывателя сыпучих материалов / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 1884–1900. — IDA [article ID]: 1041410131. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/131.pdf, 1,062 у.п.л.
5.      Трубилин Е. И. Основная обработка почвы с оборотом пласта в современных условиях работы и устройства для ее осуществления / Е. И. Трубилин, С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 1863–1883. — IDA [article ID]: 1041410130. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/130.pdf, 1,312 у.п.л.
6.      Белоусов С. В. Внесение сыпучих материалов при помощи центробежных разбрасывателей. Существующие проблемы и пути их решения / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2014. — № 10(104). С. 1849–1862. — IDA [article ID]: 1041410129. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/129.pdf, 0,875 у.п.л.
7.      Белоусов С. В. Патентный поиск конструкций, обеспечивающих обработку почвы с оборотом пласта. Метод поиска. Предлагаемое техническое решение / С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 04(108). С. 409–443. — IDA [article ID]: 1081504029. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/04/pdf/29.pdf, 2,188 у.п.л.
8.      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.
9.      Белоусов С. В. Связь науки и техники в возделывании сельскохозяйственных культур при проектировании лемешного плуга [Текст] / С. В. Белоусов, Е. И. Трубилин, А. И. Лепшина // Актуальные вопросы технических наук: материалы III междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2015 г.). — Пермь: Зебра, 2015.
10. Белоусов С. В. Определение тягового сопротивления при обработке дополнительным плоскорежущим рабочим органом [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Молодой ученый. — 2015. — № 8. — С. 194–199.
11. Сергей Белоусов, Евгений Трубилин, Совершенствование лемешного плуга для основной обработки почвы Монография Palmarium-Publishing ISBN 978–3-659–60152–1. — Германия. — 2015 год — С. 73.
12. Белоусов С. В. Плоскорежущие рабочие органы для обработки почвы с оборотом пласта [Текст] / С. В. Белоусов, А. И. Лепшина // Молодой ученый. — 2015. — № 10. — С. 158–161.
13. Белоусов С. В. Компьютерные технологии в преподавании инженерной графики и моделирования сельскохозяйственной техники [Текст] / С. В. Белоусов, В. В. Цыбулевский, А. И. Белоусова // Теория и практика образования в современном мире: материалы VII междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2015 г.). — СПб.: Свое издательство, 2015. — С. 161–167.
14. Современные технологии в полеводстве
15. Трубилин Е. И., Белоусов С. В., Бледнов В. А. В сборнике: Инноватика — 2013. сборник материалов IX Всероссийской школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Национальный исследовательский Томский государственный университет, Министерство образования и науки Российской Федерации; Под редакцией А. Н. Солдатова, С. Л. Минькова. Томск, 2013. С. 152–158.
16. Инновационный метод основной обработки почвы как способ борьбы с сорными растениями. Белоусов С. В., Бледнов В. А., Трубилин Е. И. В сборнике: Агротехнический метод защиты растений от вредных организмов. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Типография КубГАУ, 350044, Краснодар, Калинина,13, 2013. С. 202–206.
17. Лемешный плуг для обработки почвы с оборотом пласта Белоусов С. В., Лепшина А. И., Трубилин М. Е. Сельский механизатор. 2015. № 3. С. 6–7.
18. Белоусова А. И. Внесение сухих неорганических смесей удобрений [Текст] / А. И. Белоусова, С. В. Белоусов // Молодой ученый. — 2015. — № 19. — С. 112–115.