Разработка дополнительных рабочих органов лемешного плуга для совершенствования процесса основной обработки почвы с оборотом пласта, а также исследование его тягового сопротивления в составе машинотракторного агрегата

В данной статье рассмотрен вопрос экспериментальных исследований определения степени тягового сопротивления лемешного плуга, при обработке комбинированным лемешным плугом. 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.

В растениеводстве около 80 % культур возделываются на тяжелых почвах — слитых черноземах.

В Краснодарском крае слитые черноземы края по данным министерства сельского хозяйства занимают более 4 млн га. и имеют мощный гумусовый горизонт. Они расположены в пределах Закубанской предгорной равнины, которая ограничивает левобережную пойму и дельту реки Кубань с юга.

В сухом состоянии верхний горизонт разделяется вертикальными трещинами на призмовидно-глыбистые отдельности, во влажном состоянии они представляют собой совершенно слившуюся массу с плотностью почвы до 1,5×10 кг/м. Структура слитых черноземов удовлетворительно выражена только в верхних (0,2…0,4 м.) слоях. Наличие слитого почвенного горизонта обуславливает весьма слабую водную проницаемость и плохую аэрацию почв. Вымокание на них посевов, запаздывание начала весенних работ и преждевременное прекращение осенних также связано с плохими физическими свойствами таких почв. [1]

Особенно неблагоприятно отражается на физическом состоянии почвы возделывание пропашных культур. Они своими мощными корнями иссушают почву на большую глубину, а междурядные обработки настолько уплотняют почву, что ее твердость во многих случаях превышает 5…6 МПа.

Время посева озимых культур в нашем регионе, как правило, приходится на октябрь месяц, почвы в это время почва сильно уплотнена и не поддается крошению до мелкокомковатого состояния при плужной обработке [1], [2], [3], [4], [5], [6] [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17].

Содержание глыбистых структур размером в поперечнике больше 0,1м при вспашке после пропашных культур достигает 90 %, это затрудняет посев, ухудшает посев, ухудшает заделку семян и их контакт с почвой, снижает полноту и густоту всходов и в конечном результате урожайность сельскохозяйственных культур.

В Кубанском государственном аграрном университете на кафедре «Процессы и машины в агробизнесе» ведутся исследования в области основной обработки почвы. Работа направленна на разработку рабочих органов к лемешному плугу. Предлагается установить комплект дополнительных рабочих органов (рис.1) в виде батарей дисков расположенных на индивидуальных грядилях за каждым корпусом лемешного плуга. Предположительно, что данная конструкция позволит улучшить качественные показатели работы пахотного агрегата.

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

Исследования проводились 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 [1].

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.

Рис. 1. Предлагаемое техническое решение модернизация лемешного плуга

Существующий образец в модернизируемом варианте рисунок 1, устройство для обработки почвы рисунок 1 работает следующим образом:

Лемешный плуг, внедряясь в почву корпусами состоящие из стойки 2 лемеха 3 башмака 4 полевой доски 5 отвала 6 отрезает пласт почвы и поднимая его по отвалу 6 корпуса оборачивает его на дно борозды, закрепленные на раме плуга 1 на индивидуальных грядилях 7,8 батареи дисков 9 внедряясь в обернутый пласт почвы своими режущими кромками крошат его на более мелкие фракционные составляющие, и тем самым придавая поверхности поля выровненное строение, закрывая в ней влагу, а заделанные на дно борозды сорняки лишены связи с внешней средой, что ведет к их естественной гибели. [1], [5], [6] [7], [8], [9], [10], [11].

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

Полученные результаты представлены в виде графика, показанного на рис.2.

При рассмотрении факторов, влияющих на производительность и качество обработки, учитывалось расположение дисковых рабочих органов на раме лемешного плуга в пространстве относительно друг друга и их геометрические размеры.

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. [2], [12], [13], [14], [15], [16], [17].

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 диаметр диска равный n_max = 510 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. [1], [2], [3], [4], [5], [6] [7], [8], [9]

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 методике [4]. Порядок проведения опытов выполнялся согласно таблице случайных чисел. Средние величины параметров оптимизации представлены в таблице 2.

Таблица 2

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

После математической обработки экспериментальных данных получили следующие уравнения регрессии: [4]

            (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= -0.0196, X₂=-0.71172

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

Угол поворота осей a равен -44.73396 градусов, а коэффициенты регрессии в канонической форме равны: В₁₁ = +6.27141; В₂₂ = — 6.27141.

Уравнение регрессии в канонической форме

                                                           (2)

Коэффициенты В₁₁ и В₂₂ имеют разные знаки. Гиперболы вытянуты по той оси, которой соответствует меньшее по абсолютной величине значение коэффициента в каноническом уравнении. В этом случае значение отклика увеличивается при движения из центра фигуры по одной оси и уменьшается — при движении по другой. Если, например, В₁₁>0, а В₂₂ < 0, (), то отклик будет увеличиваться при движении из центра s в направлении + и - и уменьшаться при движении в направлении + и -. Центр s фигуры называется седлом или минимаксом. Поверхность отклика является гиперболическим параболоидом. Здесь направление движения выбирают в зависимости от того, чего необходимо достичь — максимума или минимума. Как и при крутом восхождении, можно наметить серию мысленных опытов, часть из которых можно реализовать.

Подставим различные значения отклика Y в канонические уравнения (1) 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 диметре диска 230,4 мм. и скорости движения 6,15 км/ч. [5]

Рис. 3. Поверхность зависимости диаметра диска от скорости движения

В результате проделанной работы мы получили следующие выводы:

1)        Получена конструкция комбинированного лемешного плуга.

2)        Составлена матрица планирования эксперимента.

3)        Изучены физикомеханические свойства почвы среднее значение

4)        Получен график зависимости диаметра диска от скорости движения пахотного агрегат, из которого видно, что при увеличении коэффициента диаметра диска происходит уменьшение производительности, а соответственно и ухудшение качественных показателей работы лемешного плуга с ротационными рабочими органами.

5)        Были обоснованы факторы влияния на производительность (диаметр диска 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 диметре диска 230,4 мм. и скорости движения 6,15 км/ч.

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.                  Лепшина А. И. Средства малой механизации как основа современного КФХ и ЛПХ в малых формах хозяйствования / А. И. Лепшина, С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 05(109). С. 392–415. — IDA [article ID]: 1091505024. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/24.pdf, 1,5 у.п.л.

9.                  Белоусов С. В. Связь науки и техники в области разработок машин для основной обработки почвы с оборотом пласта / С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 05(109). С. 468–486. — IDA [article ID]: 1091505027. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/27.pdf, 1,188 у.п.л.

10.              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.

11.              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.

12.              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.

13.              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.

14.              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.

15.              Современные технологии в полеводстве. 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.              Инновационный метод междурядной обработки почвы, подкормки пропашных культур и многолетних насаждений. Белоусов С. В., Бледнов В. А. В сборнике: Агротехнический метод защиты растений от вредных организмов. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Типография КубГАУ, 350044, Краснодар, Калинина,13, 2013. С. 304–309.