Связь науки и техники в возделывании сельскохозяйственных культур при проектировании лемешного плуга

В данной статье рассмотрен вопрос закономерности влияния науки на прогресс производства сельскохозяйственной техники и применения научных разработок на конкретном примере проектирования новой конструкции корпуса лемешного плуга. Указана взаимосвязь влияния научных трудов на конструкции почвообрабатывающих орудий на примере лемешного плуга.

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

В Кубанском государственном аграрном университете на кафедре «Процессы и машины в агробизнесе» ведутся исследования в области основной обработки почвы. Ряд работ направлены на совершенствование данного процесса, а именно разработка комплекта дополнительных рабочих органов для их установки на существующую конструкцию лемешного плуга, что проводит к совершенствованию процесса основной обработки почвы с оборотом пласта для улучшения количественных и качественных показателей данной технологической операции.

Все процессы работы сельскохозяйственных машин основываются на принципах построения математических моделей, их теоретической проверки, проверки на лабораторных стендах и на проведение полномасштабных полевых опытов.

В случае проведения нашей работы нами предлагается установить комплект дополнительных рабочих органов (рис.1) в виде батарей дисков расположенных на индивидуальных грядилях за каждым корпусом лемешного плуга. Данная конструкция позволит улучшить качественные показатели работы пахотного агрегата, а именно сократить количество проходов сельскохозяйственных машин по полю для подготовки его к посеву.

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. 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 [2].

Рис. 1. Изобретения по патенту № 2491807

Согласно патенту плуг RU 2491807 C1был изготовлен лабораторный образец и проведены его испытания [2]. Плуг рисунок 1 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.

Техническим результатом является снижение металлоемкости по сравнению с лемешными плугами, в которых используется предплужники. Наблюдается снижение тягового сопротивления и повышения качества обработки почвы за счет снижения количественных и качественных показателей корпуса плуга.

Технический результат достигается тем, что в корпусе лемешного плуга рисунок 1, содержащем стойку, крепежный элемент лемеха и отвал на стойке, со стороны полевого обреза установлен режущий рабочий орган, в качестве режущего рабочего органа использована плоскорежущая бритва со стойкой соединенная со стойкой корпуса плуга «П» — образным крепежным элементом с возможностью регулирования по высоте.

Суть изобретения поясняется рисунком 2, фигурой 1 общий вид корпуса лемешного плуга в аксонометрии, фигура 2 (Вид А) фрагмент крепления стойки плоскорежущей бритвы, на фигуре 3 (вид Б) фрагмент фиксации стойки плоскорежущей бритвы.

Новизна заключается тем, что плоскорежущая бритва установлена со стороны полевого обреза путем закрепления ее за стойкой основного корпуса плуга с возможностью плавной регулировки по глубине обработки в зависимости от почвенных условий.

Корпус лемешного плуга содержит стойку 1 корпуса плуга с отвалом 2, лемехом 3, полевой доской 4. Плоскорежущая бритва 5 со стойкой 6 соединена со стойкой 1 корпуса плуга «П» — образным крепежным элементом 7 с отверстиями 8. «П» — образный крепежный элемент содержит систему крепления состоящую из болта фиксации 9, неподвижной гайки 10 и контр гайки 11, соединяющую стойку 6 плоскорежущей бритвы 7 с основной стойкой 1корпуса плуга (фиг. 2). Плоскорежущая бритва 5 закреплена на стойке 6, непосредственно за основной стойкой 1 корпуса плуга «П» — образным крепежным элементом 7, который крепиться посредством отверстий 8 к основной стойке корпуса плуга 1.

Плавность регулировки в пределах заданной высоты достигается конструктивным элементом стойки 6 (Вид Б фигура 3), который выполнен в виде гребенки 12 для фиксации болта 9 по вертикали в промежутке Н не более 10 мм.

Работает корпус лемешного плуга следующим образом: в процессе движения пахотного агрегата по полю корпус лемешного плуга внедряясь в почву лемехом 3 подрезает пласт почвы и отводит его на отвал 2 который его оборачивает, плоскорежущая бритва 5 установленная на стойке 6 со стороны полевого обреза внедряется в стенку борозды подрезая пласт почвы в горизонтальной плоскости разрушает его для оборота следующим корпусом плуга. Плоскорежущая бритва имеет плавную регулировку по высоте для обработки различных почв.

Рис. 2. Патент № 136674: 1 — корпуса плуга; 2 — отвал; 3- лемех; 4 — полевая доска; 5 — плоскорежущая бритва;:6 — стойка; 7 — «П» — образный крепежный; 8 — отверстия; 9- болт фиксации; 10 — неподвижная гайка; 11 — контр гайка.

Для проведения лабораторных и полевых исследований была изготовлена специальная установка рисунок 3, с помощью которой можно было производить полевые испытания [4], [5].

Рис. 3. 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.4. Определение факторов влияющих на производительность и качество обработки. При рассмотрении факторов влияющих на производительность и качество обработки учитывалось их расположение 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

По указанной методике мы проводим исследования плоскорежущих рабочих органов. Так при рассмотрении факторов влияющих на производительность и качество обработки учитывалось их расположение 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.

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 2. Матрица планирования представлена в таблице 1. Опыты проводили согласно описанной выше методике. Порядок проведения опытов выполнялся согласно таблице случайных чисел. Средние величины параметров оптимизации представлены в таблице 2.

После математической обработки экспериментальных данных получили следующие уравнения регрессии [6] [7] [8] [9].

 (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)

Таблица 2

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

Параболы (рис 4). 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 (1) было получено семейство сопряженных изолиний (рис. 4). 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. 4. Поверхность зависимости диаметра диска от скорости движения

В результате проделанной работы мы получили:

-          Получена конструкция комбинированного лемешного плуга с дополнительными плоскорежущими рабочими органами.

-          Составлена матрица планирования эксперимента. И изучены физикомеханические свойства почвы и получены их среднее значение.

-          Получен график зависимости ширины захвата плоскорежущей бритвы 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.

-          Были 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. [10].

Литература:

1.         Основная обработка почвы с оборотом пласта в современных условиях работы и устройства для ее осуществления. Белоусов С. В., д.т.н. профессор Трубилин Е.И, студентка Лепшина А. И. Политематический Электронный Научный журнал КубГАУ, № 104(10), 2014 года ВАК (21 стр.)

2.         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.

3.         Патент № 136674 Трубилин Е. И., Белоусов С. В., ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет. Опубликовано 21 мая 2013 года. Бюл. № 21.

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

5.         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.

6.         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.

7.         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.

8.         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.

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

10.     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).