ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БІЛЕЦЬКИЙ Віктор Романович

УДК 631.372: 631.3.06

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КОЛІСНИХ РУШІЇВ
МАШИННО-ТРАКТОРНИХ АГРЕГАТІВ НА ОСНОВІ
ВЗАЄМОДІЇ З ҐРУНТОВИМ СЕРЕДОВИЩЕМ

05.05.11. – машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України та Державному агроекологічному університеті Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Дубровін Валерій Олександрович,

Національний аграрний університет,

директор науково-дослідного інституту

екобіотехнологій та біотехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пащенко Володимир Филимонович

Харківський національний аграрний

університет ім. В.В. Докучаєва, завідувач

кафедри механізації та електрифікації

сільськогосподарського виробництва;

кандидат технічних наук, доцент

Смільський Василь Володимирович

Тернопільський національний педагогічний

університет ім. Володимира Гнатюка,

доцент кафедри професійного навчання

Провідна установа: Харківський національний технічний університет

сільського господарства ім. Петра Василенка,

кафедра сільськогосподарських машин,

Міністерства аграрної політики України, м. Харків.

Захист відбудеться “03” листопада 2006 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 34М.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Львівського державного аграрного університету за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, головний корпус.

Автореферат розісланий “20” вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ковалишин С.Й.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В ґрунтово-кліматичній зоні Полісся України в системі механізованих технологій вирощування сільськогосподарських культур широкого застосування (до 85%) набули машинно-тракторні агрегати (МТА) на базі колісних тракторів. Ґрунти означеного регіону мають, як відомо, знижену несучу здатність, особливо при надмірному зволоженні, в періоди весняних й осінніх польових робіт. Рушії колісних тракторів у складі МТА оснащені шинами, що в таких умовах незворотньо деформують ґрунтове середовище. В деяких випадках щільність ґрунту в орному шарі сягає 1,5 г/см3. Це призводить не лише до накопичення залишкових деформацій й руйнування структури ґрунту (особливо типового для зони дерново-підзолистого), але й істотно погіршує умови для розвитку сільськогосподарських рослин. Отже, взаємодія колісних рушіїв енергетичних засобів із ґрунтовим середовищем для умов Полісся України обґрунтована недостатньо, не визначено сукупну дію на ґрунт від коліс трактора й робочих органів МТА і їх узгоджені параметри для забезпечення екологічно допустимого рівня антропогенного впливу при виконанні механізованого обробітку ґрунту. Тому, обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів колісних рушіїв трактора класу 3 в складі ґрунтообробних агрегатів, що попередять виникнення переущільнення і його негативних наслідків й сприятимуть кращому використанню потенційних можливостей ґрунтів Полісся України, є актуальним науково-практичним завданням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконані відповідно до планів науково-дослідної роботи Державного агроекологічного університету за темою “Обґрунтувати структуру екологічних параметрів імітаційної моделі територіально-ландшафтної організації територій сільськогосподарського використання та розробити пакет прикладних комп’ютерних програм для її реалізації” (номер державної реєстрації № 0100U000001) у 1998…2002 рр. та Національного аграрного університету за темою “Розробити ресурсозберігаючі технології і технічні засоби виробництва сільськогосподарської продукції для нехарчових цілей” (номер державної реєстрації № 0102U006205) у 2002…2006 рр.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності роботи ґрунтообробних машинно-тракторних агрегатів на базі колісного трактору класу 3 при допустимому навантаженні на ґрунтове середовище забезпеченням раціональних параметрів і режимів роботи колісних рушіїв енергетичного засобу і робочих органів машини.

Досягнення даної мети реалізоване шляхом вирішення наступних завдань дослідження:

- проаналізувати зміни технологічного стану орного шару ґрунту в умовах Полісся України при його обробітку ґрунтообробним МТА на базі колісного трактора при застосуванні існуючих технологій і технічних засобів;

- розробити математичну модель взаємодії колісного рушія з ґрунтом та обґрунтувати обмеження, що накладаються на параметри й режими роботи МТА в умовах Полісся;

- провести імітаційні та лабораторно-польові дослідження процесу взаємодії ґрунтового середовища з колісними рушіями трактора класу 3 й робочими органами ґрунтообробних машин в складі МТА;

- визначити раціональні параметри і режими роботи ґрунтообробних агрегатів для основного й передпосівного обробітку ґрунту на базі трактора класу 3 в умовах Полісся України;

- виконати порівняльні випробування серійного та розробленого МТА для передпосівного обробітку ґрунту й провести їх техніко-економічну оцінку.

Об’єкт дослідження – процеси взаємодії колісних рушіїв та робочих органів машинно-тракторних агрегатів з ґрунтовим середовищем.

Предмет дослідження – залежності впливу параметрів і режимів роботи колісних рушіїв і робочих органів машинно-тракторних агрегатів на стан ґрунтового середовища.

Методи дослідження. Аналіз технологічних процесів механізованого обробітку ґрунту, конструктивно-технологічних параметрів колісних рушіїв трактора і робочих органів ґрунтообробних машин виконувався із застосуванням методів фізичного та числового імітаційного моделювання, землеробської механіки. Експериментальні лабораторно-польові дослідження виконані з використанням методик планування експериментів та комплексної оцінки ефективності ходових систем мобільної сільськогосподарської техніки. Отримані результати оброблені методами статистичного аналізу за допомогою комп’ютерної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі виконаного аналізу змін технологічного стану орного шару ґрунту при його обробітку ґрунтообробним МТА на базі колісного трактора класу 3 розроблено математичну модель процесу взаємодії колісних рушіїв з ґрунтом та визначено обмеження, що накладаються на параметри й режими роботи ґрунтообробного МТА в умовах Полісся.

Вперше, у результаті обґрунтування показника ступеня підвищення щільності ґрунту при роботі МТА, формалізовано (у вигляді номограми) сукупну дію на ґрунт від коліс трактора й робочих органів машини і обумовлено їх узгоджені параметри для забезпечення допустимого рівня навантаження на ґрунт при виконанні його механізованого обробітку.

Із застосуванням методу числового імітаційного моделювання проаналізовано основні конструктивно-технологічні параметри колісного рушія до трактору класу 3 й визначено раціональні характеристики плями контакту й прогину арки шини при агрегатуванні з ґрунтообробними машинами.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику інженерного розрахунку колісних рушіїв для ґрунтообробних машинно-тракторних агрегатів, що забезпечують мінімізацію невідтворного ущільнення ґрунту. Визначено раціональні конструктивно-технологічні параметри колісних рушіїв (28,1R26) трактора класу 3, що забезпечують його ефективну роботу у складі ґрунтообробних МТА. Розроблено, виготовлено й скомплектовано нові МТА для основного й передпосівного обробітку ґрунту на базі трактора Т-150К з запропонованими колісними рушіями.

За результатами виконаних досліджень розроблені МТА пройшли науково-виробничу перевірку в СТОВ “Прогрес” Житомирської області, яка засвідчила зменшення ущільнення ґрунту на 6…10% при їх роботі у порівнянні з серійними аналогами. Результати досліджень передані до ГСКБ “Грунтомаш” (м. Одеса) та НТЦ “ХТЗ” (м. Харків).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В опублікованих працях, що написані у співавторстві внесок здобувача наступний: [2, 4, 5, 6] - проаналізовано існуючі технології і технічні засоби; обґрунтовано математичні моделі взаємодії колісного рушія і робочих органів з ґрунтом; розроблено методику і програмне забезпечення, проведено імітаційний експеримент й оброблено його результати; [9] – обґрунтовано показник ступеня підвищення щільності ґрунту в процесі його механізованого обробітку, обумовлено узгоджені параметри колісного рушія і робочих органів для забезпечення допустимого рівня навантаження на ґрунт, визначено раціональні параметри і режими роботи ґрунтообробних агрегатів. Особисто проведено комплексну оцінку дослідних зразків МТА, виконано статистичну обробку, аналіз та узагальнення результатів експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на міжнародних науково-технічних конференціях, а саме: “Сучасні проблеми аграрної механіки” (ДААУ, м. Житомир, 1998, 1999 рр.); “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (ННЦ “ІМЕСГ”, смт. Глеваха, 2003 р.); “Проблеми застосування технологій точного землеробства в АПК” (НАУ, м. Київ, 2005 р.); “Сучасні проблеми землеробської механіки”(НАУ, м. Київ, 2005 р.); “Екобіотехнології і біопалива в АПК” (НАУ, м. Київ, 2004, 2006 рр.); на засіданнях науково-технічної ради ДААУ (м. Житомир, 1998-2000 рр.); на засіданнях кафедри сільськогосподарського машинобудування НАУ (м. Київ, 2003-2006 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 9 друкованих працях, з них 8 – у фахових виданнях та 1 – одноосібна брошура.

Структура та об’єм дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, бібліографічного списку із 155 найменувань та 5 додатків. Основна частина викладена на 127 сторінках тексту, містить 68 рисунків та 25 таблиць. Повний об’єм роботи становить 164 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, об’єкт, предмет, задачі та методи дослідження, окреслено наукову новизну й практичну значимість роботи.

У першому розділі "Сучасний стан питання та задачі досліджень" виконано аналіз впливу ущільнюючої дії сільськогосподарської техніки на агротехнологічний стан ґрунту та проаналізовано способи розущільнення ґрунтового середовища. На основі розгляду результатів досліджень В.П.Горячкіна, П.М. Василенка, Л.В. Погорілого, М.Н. Нагорного, П.М. Заїки, М.К. Лінника, І.І.Водяника, В.О.Дубровіна, В.Г.Євтенка, Я.С. Гукова, Н.П. Ксеневича, А.С.Кушнарьова, В.В.Медведєва, В.Ф.Пащенка; А.Т. Лєбедева, Л.Ф. Бабіцького, О.В. Сидорчука, Д.Д. Прокопенка, І.О.Ніщенка, О.І. Завгороднього, І.В. Морозова, В.Б. Самородова, В.А.Скотникова, В.В. Смільського, Б.А.Шелудченка, П.М. Забродського, І.А. Шевченка, В.Д. Надикто та інших формалізовані вимоги до впливу колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів на ґрунтове середовище та визначено наукову концепцію конструкційної модернізації МТА на базі колісного трактора типу Т-150К, як мобільного засобу сільськогосподарського призначення. Концепція обумовлює зміни типорозміру шин, з шириною більшою за 21,3R24, що доцільно встановити на трактор класу 3, та узгодження їх параметрів з режимами роботи робочих органів ґрунтообробних машин. Це дозволяє задовільнити агротехнічні вимоги при виконанні основних сільськогосподарських операцій. Існуючі технології вирощування сільськогосподарських культур не враховують впливу навантаження збоку колісних рушіїв МТА на ґрунтове середовище. Тому доцільно розвивати дослідження з обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів колісних рушіїв МТА зі зменшенням їх шкідливого впливу на ґрунт. Означено, що одним із найбільш ефективних прийомів розущільнення ґрунтового середовища є використання комбінованих ґрунтообробних машин у складі МТА.

У другому розділі "Теоретичне обґрунтування напруженого стану ґрунту під колісним рушієм машинно-тракторного агрегату" проведено аналіз зміни напруженого стану ґрунтового середовища під дією колісних рушіїв та обґрунтовано їх конструктивно-технологічні параметри для трактора типу Т-150К. Аналітично встановлено рівень шкідливого впливу колісних рушіїв на ґрунтове середовище. В основу розробки покладено аналітичну модель, яка відображає процес зміни напруженого стану ґрунту під дією зосереджених навантажень. Попередні дослідження процесів контактування рушіїв МТА з ґрунтом свідчать про те, що числовий розв’язок задачі встановлення напруженого стану ґрунту можливий за умови застосування методу ітерацій. В першому наближенні ґрунт розглянуто як пружний на півпростір, обмежений горизонтальною поверхнею. Середовище ґрунтового напівпростору прийнято ізотропним. За таких умов застосовано розв’язок задачі Буссінеска. За цим методом розподілення напружень в масиві симетричне відносно осі х. Для побудови математичної моделі напруженого стану від декількох блоків розподіленого навантаження його представлено як суперпозицію n сил прикладених у відповідних точках (рис. 1). |

Рис. 1. Схема визначення напружень в елементарному об’ємі напівпростору, навантаженого двома блоками розподіленого навантаження (парою колісних рушіїв): Р1, Р2,…,Pi – значення відповідних одиничних сил, Н; а – відстань початку блоку від початку координат, м; da – крок між силами у блоці, м; l1, l2 – ширина блоків, м;
ух, уу, фух – відповідно нормальні та дотичні напруження в елементарному напівпросторі М, Па;

п – кількість сил в блоці розподіленого навантаження | В результаті отримано математичну модель напруженого стану від двох блоків розподіленого навантаження у вигляді:

(1) | де G – навантаження на вісь рушіїв, Н; р – 3,14; li –ширина ділянки, до якої прикладене розподілене навантаження, м; kі – ваговий коефіцієнт (м-1), що визначається, як: (відповідно Р0 – з умови нормування становитиме: ); х, у – координати елементарної ділянки напівпростору М (рис. 1), для якого визначаються значення нормальних та дотичних напружень, м.

Відповідно до системи перший інваріант повного тензора напружень (шаровий тензор напружень), який і характеризує зміну напруженого стану досліджуваного середовища під дією пари рушіїв, визначається в вертикальній площині ґрунтового напівпростору як: , де ІІ – інваріант повного тензора напружень (сума нормальних напружень уІ), Па. А максимальне зсувне напруження фmax в певній точці цієї площини буде становити:

Одержані розвязки рівняння дають змогу реалізувати числовий імітаційний експеримент для дослідження напруженого стану ущільненого профілю ґрунту, відповідно до умови:

(2) | де Gi – вага машинно-тракторного агрегату, що припадає на і-й рушій, Н; qi – тиск і-го рушія на поверхню поля, Па; lопт – оптимальна площа плями контакту колісного рушія, м2, ун – межа текучості ґрунтового середовища, Па; [ф] – допустимі дотичні напруження, Па.

Використання системи (1) дозволяє реалізувати числовий імітаційний експеримент з обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів колісного рушія мобільного сільськогосподарського засобу при мінімалізації рівнів інтенсивності ущільнення ґрунтового середовища.

При розв’язанні системи (1), встановлено зміну рівня інтенсивності напруженості ґрунтового середовища за глибиною Н=х, в залежності від ширини 2bе плями контакту колісного рушія з ґрунтом (рис. 2). |

а) | б) | Рис. 2. Зміна суми нормальних напружень(а) та дотичних напружень (б) за глибиною: 1 – 2bе=0,40 м; 2 – 2bе=0,45 м; 3 – 2bе=0,50 м; 4 – 2bе=0,55 м; 5 – 2bе=0,60 мВідомо, що в серійних МТА на базі колісних тракторів класу 3 – 2bе?0,53 м. Межа текучості дерново-підзолистого супіщаного ґрунту, яка не призводить до невідновлюваних змін структурного стану кореневих шарів ґрунту, для шару ґрунту 0…10 см становить н<0,113 МПа. Допустимі дотичні напруження (з урахуванням моменту перекочування) становлять ф<0,021 МПа. З урахуванням цього встановлено, що при максимальному навантаженні на рушій до 28 кН (характерно для тракторів класу тяги 3) ширина плями контакту має відповідати умові 2bе?0,55 м.

При виборі типу шин, що задовольняють даній вимозі, було проаналізовано нормальні і відносні прогини шин та ширину плями контакту, в залежності від тиску в шині (рис. 3) та отримано систему (3).

Рис. 3. Залежність зміни ширини плями контакту та відносного прогину

від тиску для колісного рушія трактора класу 3

(3) | При розв’язку системи (3) отримано раціональні параметри рушія, використання якого не призводить до невідновлюваних змін структурного стану орного шару ґрунту (табл. 1).

Таблиця 1. Раціональні параметри колісного рушія

Параметр | Позначення | Розмірність | Значення | Раціональний тиск в шині | рw | МПа | 0,073 | Мінімальна ширина плями контакту | 2bе | м | 0,553 | Максимальний відносний прогин арки шини | рш% | 20 | Тип | 28,1R26 мод. ФД-12 | - | - | Діаметр | D | мм | 1735±17 | Ширина | B | мм | 750 | Висота профілю | H | мм | 537,3

Встановлено, що межа текучості дерново-підзолистого супіщаного ґрунту, визначена експериментально, складає в шарі ґрунту 010 см н=0,113 МПа. Аналізом результатів числового імітаційного експерименту визначено, що застосування на тракторі типу Т-150К шини 28,1R26 при тиску рw=0,073 МПа не призводить до невідновлюваних змін структурного стану орних шарів ґрунту. Відповідно до визначених вихідних даних та загальних вимог до числової імітаційної моделі (1) розроблено програмне забезпечення, що дозволяє проводити дослідження числовими методами складових напруженого стану ґрунту в зоні контакту “колісний рушій – ґрунт”.

Раціональні параметри колісного рушія використаного при розробці запропонованого МТА на базі трактора класу 3 (рис.4).

Рис. 4. Трактор Т-150К, оснащений запропонованим рушієм | В результаті розв’язку системи (1) та комп’ютерного аналізу напруженого стану ґрунту під дією колісних рушіїв отримано епюри суми головних напружень в ґрунті (рис. 5) під передніми та задніми рушіями трактора Т-150К, оснащеного шинами 28,1R26 при тиску pW=0,073 МПа.

а) б) | Рис. 5. Епюра суми головних напружень в ґрунті під рушіями трактора
Т-150К оснащеного шинами 28,1R26 для тиску pw=0,073 МПа:
а – передні рушії, б – задні рушії

Для характеристики впливу на ґрунтове середовище колісних рушіїв доцільно застосувати показник ступеня підвищення щільності ґрунту відносно початкової:

(4) |

де со – значення початкової щільності ґрунту. кг/м3; с – емпіричний коефіцієнт, що характеризує здатність ґрунтового середовища до ущільнення, кг/(Нм); уІ – сума нормальних напружень, яка відповідає сумі перших двох рівнянь системи (1), Па.

Таблиця 2. Параметри ґрунтового середовища в зоні дії рушіїв

Шар ґрунту, м | Передній рушій | Задній рушій (з урахуванням ущільнення переднім рушієм) | Значення показника ступеня підвищення щільності

Максимальне значення напруження, Па | Максимальне значення щільності, кг/м3 | Максимальне значення напруження, Па | Максимальне значення щільності, кг/м3

0…0,005 | 95000 | 1280,2 | 61000 | 1360,5– | 0,005…0,01 | 92000 | 1280,0 | 58000 | 1360,0– | 0,01…0,03 | 88000 | 1279,7 | 56000 | 1359,4– | 0,003…0,06 | 84000 | 1279,4 | 54000 | 1358,7– | 0,06…0,12 | 79000 | 1278,9 | 53000 | 1357,9– | Середні значення по всій глибині обробітку | 30000 | 1272,2 | 20000 | 1344,3 | 1,12 | Підвищена щільність ґрунту є негативним явищем, тому необхідно наблизити її до раціональних значень шляхом узгодження з режимами роботи робочих органів ґрунтообробних машин. Доцільно встановити раціональну глибину механізованого комбінованого обробітку ґрунту, з дотриманням наступних вимог:

(5) |

де Rх – тяговий опір, Н; r – питомій опір ґрунту (для комбінованих агрегатів типу: Sepac-6000, Европак, АМО-7,5, АГ-6: r=50…75 кПа); а – глибина обробітку (а?0,12 м); b – ширина захвату (b=6…7,2 м).

Рис. 6. Номограма для визначення глибини обробітку ґрунту МТА в складі трактора класу 3 і комбінованого культиватора (r=75 кПа, со=1200 кг/м3)

Відповідно до отриманих значень показника ступеня підвищення щільності з врахуванням агротехнічних вимог та тягової потужності трактора класу 3 встановлено, що раціональною є глибина обробітку ґрунту в межах 4,9…6,7 см, при якій забезпечується ефективне виконання технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту та номінальне завантаження трактора типу Т-150К. Доцільною є установка робочих органів комбінованого агрегату на збільшену глибину обробітку ґрунту по колії трактора. Це на 3…5 % знижує показник ступеня підвищення щільності ґрунтового середовища в означеній зоні.

В третьому розділі "Програма та методика експериментальних досліджень" наведено програму експериментальних досліджень, описані лабораторно-польові установки, вимірювальні прилади, обладнання та методики обробки результатів досліджень. Аналіз полів напружень в моделях вертикальних перерізів ґрунтового напівпростору, при навантаженні ґрунту статичними силами двох блоків розподіленого навантаження, відстань поміж якими може змінюватись, виконано методами числового імітаційного моделювання за допомогою спеціально розроблених комп’ютерних програм. Запропоноване програмне забезпечення, дозволило одержати характеристики якості розподілення полів напружень та і числові показники величин напружень в окремих, заздалегідь визначених, точках моделі ґрунту на заданих лініях сканування. За базовий варіант обрано рушії колісного трактора Т-150К, який обладнано стандартними рушіями з шинами 21,3R24 моделі ФД-14. Запропонованим варіантом є трактор Т-150К з рушіями на шинах 28,1R26 моделі ФД-12 (згідно з ДСТУ 4140-2002).

Відповідно до умов застосування рушіїв, змінювали внутрішній тиск в шині. Досліджено варіанти з максимальним, середнім та мінімальним значеннями тиску в шині відповідно до її вантажопідйомності та технологічних вимог, пов’язаних з процесами механізованого обробітку ґрунту (за досліджуваним і базовим варіантами).

Показники якості виконання механізованого обробітку ґрунту в процесі лабораторно-польових досліджень визначені відносно необробленого агрофона, а саме: стерні однорічних трав. Експериментально проаналізовано наступні МТА для основного і передпосівного обробітку ґрунту: Т-150К+АГ-6 (базовий); Т-150К+АГ-6 (новий); Т-150К+ПЛН-5-35 (базовий); Т-150К+ ПЛН-5-35 (новий). Дослідження проведені на дерново-підзолистих супіщаних ґрунтах (типових для зони Полісся), при вологості – 17…19 %, щільності – 1,1…1,5 г/см3, твердості – 72…83 кН/м2.

Визначення тягового опору МТА здійснено методом тензометрування із застосуванням спеціально розробленої системи та обладнання автоматизованої реєстрації та оперативної обробки результатів експерименту (рис. 7).

Рис.7. Загальний вигляд елементів тензостанції:

1 – портативний комп’ютер;

2 – блок живлення;

3 – перетворювач сигналу;

4 – лінійний підсилювач;

5 – блок опорів

В четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень конструктивно-технологічних параметрів колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів" наведено результати лабораторно-польових досліджень, виконано їх математичну обробку та аналіз. Регресивний аналіз суми нормальних напружень (ух+уу) в поверхневому шарі (Н<0,10 м) ґрунтового середовища, з урахуванням обмежень відносного прогину рш арки шини виконано на підставі результатів числового імітаційного моделювання суми ух+уу, обумовлена впливом ширини плями контакту В та прогином арки шини рш колісного рушія при його взаємодії ґрунтом і визначається наступним чином: |

(6) |

В результаті виконаних досліджень побудовано поверхню відгуку
(рис. 8), за якою визначено зону раціональних значень ширини плями контакту (В) за обмеження нормального прогину арки шини (рш).

Рис. 8. Поверхня відгуку суми нормальних напружень від ширини плями контакту та відносного прогину арки шини

колісного рушія до трактора класу 3 |

Встановлено, що раціональна ширина плями контакту лежить в межах В=0,5…0,6 м. З урахуванням обмеження відносного прогину арки шини рш, ширина плями контакту колісних рушіїв трактора Т-150К може бути забезпечена при застосуванні шини 28,1R26 з робочим тиском рw=0,073 МПа, що узгоджується з результатами теоретичних досліджень.

Регресивним аналізом, встановлено також залежність сили тягового опору Rх від показника ступеня підвищення щільності k0 та глибини обробітку ґрунту а: |

(7) | За результатами аналізу відповідної поверхні відгуку (рис. 9) визначено зону раціональних значень глибини передпосівного обробітку ґрунту.

Рис. 9. Поверхня відгуку сили тягового опору Rх в залежності від показника ступеня підвищення щільності k0 та глибини передпосівного обробітку ґрунту а

З урахуванням обмежень показника ступеня підвищення щільності та сили тягового опору ґрунтообробної машини () раціональна глибина обробітку в умовах досліджень склала а?6,7 см.

Визначення твердості ґрунту в коліях колісних рушіїв засвідчило, що застосування запропонованих МТА, обладнаних шинами 28,1R26, дозволяє зменшити твердість ґрунту на 3...9 %, залежно від варіантів досліджень. Експериментальний аналіз коефіцієнтів обємного зминання ґрунту в коліях колісних рушіїв трактора у досліджуваних варіантах свідчить, що обємна деформація ґрунту при застосуванні запропонованих МТА в 2,73...3,1 рази менша ніж при застосуванні серійних агрегатів. Це лише в 1,3...1,5 разів більше у порівнянні з агрофоном. Порушення мікрорельєфу поля, оцінюване за глибиною колії, для нового МТА, менше за базове на 37,9 %.

Аналізом даних щодо зміни щільності ґрунту в коліях колісних рушіїв встановлено, що ущільнення при застосуванні нового МТА (Т-150К з шинами 28,1R26) зменшене на 6...14 % в порівнянні з базовим агрегатом (Т-150К з шинами 21,3R24). При цьому, шпаруватість ґрунту наближується до оптимальної на даному типі ґрунтів і становить в орному шарі 46...48 %. Аналіз результатів експериментальних досліджень стану ґрунту в зоні контакту “колісний рушій-ґрунт” за показниками щільності й шпаруватості свідчить про їх тісний кореляційний зв'язок, коефіцієнт кореляції складає r=0,7...0,92.

Встановлено залежність сили тягового опору Rх від глибини передпосівного обробітку ґрунту а (рис. 10) для нового МТА (Т-150К з модернізованими рушіями та АГ-6), яку можна описати наступним лінійним рівнянням: |

(8) |

Рис. 10. Графік залежності сили тягового опору від глибини передпосівного обробітку ґрунту:
1 –експериментальної, 2 – теоретичної

Результати дослідження зміни показника ступеня підвищення щільності представлено на
рис. 11.

Рис. 11. Графік залежності показника ступеня підвищення щільності від глибини передпосівного обробітку ґрунту:

1 – експериментальної, 2 – теоретичної

Аналогічно встановлено залежність показника ступеня підвищення щільності k0 від глибини передпосівного обробітку ґрунту а, яку можна описати рівнянням регресії: |

(9) | Результати порівняльних випробувань машинно-тракторних агрегатів наведено в табл. 3.

Таблиця 3. Результати порівняльних випробувань

Показники | Агрофон (необроблений) | Т-150К +ПЛН-5-35 (базовий) | Т-150К +ПЛН-5-35 (новий) | Т150К+АГ-6 (базовий) | Т-150К +АГ-6

(новий)

Коефіцієнт структурності | 1,05 | 1,11 | 1,22 | 1,35 | 1,64

Опір зминання ґрунту (твердість), кН/м2 | 77,4 | 72,1 | 59,2 | 58,3 | 55,9

Коефіцієнт об’ємного зминання ґрунту, Н/см3 | 1,2 | 1,1 | 0,9 | 0,9 | 0,8

Абсолютна вологість ґрунту, % | 18,4 | 17,8 | 17,9 | 17,6 | 17,6

Щільність ґрунту, г/см3 | 1,42 | 1,36 | 1,24 | 1,25 | 1,14

Мікрорельєф поверхні поля, см | - | 0…7,4 | 0...6,7 | 0…2,9 | 0...3,2

Робоча швидкість, км/год | - | 8 | 7 | 7 | 9

Витрата палива, кг/га | - | 12,3 | 6,4 | 5 | 5,1

Згідно отриманих результатів найкращим для передпосівного обробітку ґрунту є новий МТА у складі колісного трактора Т-150К (модернізованого) та комбінованої ґрунтообробної машини АГ-6. За результатами дослідження механічного складу ґрунту встановлено, що кількість агрегатів ґрунту (d<0,25 мм і d>10 мм), які не відповідають агровимогам з точки зору ерозійної стійкості у варіанті Т-150К з модернізованими рушіями та АГ-6 зменшилась на 5,6 % до базового варіанту, а коефіцієнт структурності збільшився на 34,4 %. Щільність обробленого ґрунту після проходу нового МТА відповідала агровимогам і становила 1,14 г/см3, що на 10,1 % менше, ніж для базового варіанту і на 19,7% менше у порівнянні з агрофоном. Коефіцієнт об’ємного зминання після нового МТА на 33,3 % менший за базовий. Отже, поверхня поля оброблена новим машинно-тракторним агрегатом відповідає вимогам до сівби сільськогосподарських зернових культур без виконання додаткових технологічних операцій, в умовах Полісся.

У п’ятому розділі "Результати господарської перевірки, еколого-енергетична та економічна ефективність пропонованої розробки" наведені результати науково-виробничої перевірки запропонованих машинно-тракторних агрегатів (рис. 13), та виконано їх техніко-економічну оцінку. |

а) | б) | Рис. 13. Загальний вигляд запропонованих агрегатів:

а) Т-150К (модернізований)+АГ-6; б) Т-150К (модернізований)+ПЛН-5-35

За результатами проведених техніко-економічних розрахунків встановлено, що річний економічний ефект від застосування запропонованого машинно-тракторного агрегату у складі
Т-150К (модернізований)+АГ-6 становить 4953 грн.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Дисертаційною роботою, в результаті проведених теоретичних й експериментальних досліджень, подане нове вирішення актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності використання ґрунтообробних МТА на базі колісних тракторів шляхом обґрунтування узгоджених параметрів і режимів роботи рушіїв енергетичного засобу й робочих органів машин, що дозволяє нормалізувати сукупну дію на ґрунт від МТА і досягти екологічно допустимого рівня антропогенного впливу при виконанні механізованого обробітку ґрунту в умовах Полісся України.

1. На основі аналізу змін технологічного стану орного шару ґрунту в умовах Полісся України при його обробітку ґрунтообробними МТА на базі колісних тракторів при застосуванні існуючих технологій і технічних засобів відмічено наявність кореляційного зв’язку між характеристиками ущільнюючої дії ходових систем мобільної сільськогосподарської техніки і технологічними показниками стану ґрунтового середовища. Зниження рівнів техногенного впливу на ґрунти доцільно досягти шляхом комплексного узгодження параметрів і режимів роботи колісних рушіїв енергетичних засобів та робочих органів ґрунтообробних машин з урахуванням зональних особливостей.

2. Застосування розробленої математичної моделі взаємодії колісного рушія з ґрунтом дозволило обґрунтувати обмеження, що накладаються на параметри й режими роботи МТА на базі колісного трактора класу 3 в умовах Полісся. Зокрема встановлено, що оскільки за допустимих напружень н<0,113 МПа та ф<0,021 МПа типові дерново-підзолисті ґрунти в шарі
0…10 см істотно не змінюють свого структурного стану, то при навантаженні на колісний рушій до 28 кН ширина плями контакту має відповідати умові 2bе?0,55 м.

3. Обґрунтування показника ступеня підвищення щільності ґрунту при роботі МТА на базі колісних тракторів дозволило формалізувати у вигляді номограми сукупну дію на ґрунт коліс трактора й робочих органів машини і обумовити їх узгоджені параметри для забезпечення допустимого рівня навантаження на ґрунт при виконанні його механізованого обробітку.

4. Шляхом числового імітаційного моделювання визначені раціональні конструктивно-технологічні параметри колісного рушія трактора класу 3, які доцільно застосовувати при виконанні технологічних операцій основного й передпосівного обробітку ґрунтів Полісся, зокрема робочий тиск в шині на рівні 0,073 МПа, а мінімальна ширина плями контакту - 0,55 м.

5. В результаті лабораторно-польових досліджень процесу взаємодії ґрунтового середовища з колісними рушіями трактора класу 3 й робочими органами ґрунтообробних машин в складі МТА доведено агротехнологічну доцільність заміни базового рушія трактора Т-150К, оснащеного шиною 21,3R24, на рушій з шиною типорозміру 28,1R26 з використанням модернізованого диска рушія складеного з нормалізованих конструкцій DW 1824 та DW 2426.

6. Порівняльними випробуваннями серійного та розробленого МТА для передпосівного обробітку ґрунту (Т-150К (модернізований)+АГ-6) доведено, що при застосуванні запропонованого рушія (28,1R26) у порівнянні з рушієм 21,3R24 зменшуються: порушення мікрорельєфу поля на 37,9 %, твердість ґрунту по дну колії на 3…9 %; об’ємна деформація ґрунту в зоні колії в 2,7…3,1 рази. При використанні запропонованого МТА шпаруватість ґрунту близька до оптимальної (46…48 %), а нерівномірність вологості в поверхневому шарі ґрунту і в зоні колії зменшена на 27,6 % у порівнянні з серійним аналогом.

7. З урахуванням обмежень за тяговим опором та показником ступеня підвищення щільності () для нового ґрунтообробного МТА у складі Т-150К (модернізований)+АГ-6 раціональна глибина обробітку ґрунту робочими органами складає а?6,7 см. Кількість структурних агрегатів ґрунту (d<0,25 мм і d>10 мм), які не відповідають агротехнічним вимогам з точки зору ерозійної стійкості, у запропонованому варіанті зменшилась на 5,6 % відносно базового (Т-150К+АГ-6). При цьому щільність механізовано обробленого ґрунту запропонованим МТА становила 1,14 г/см3, що на 10,1 % менше, ніж для базового варіанту і на 19,7 % у порівнянні з вихідним агрофоном. Коефіцієнт об’ємного зминання після нового МТА на 33,3 % менший за базовий.

8. Проведеною техніко-економічною оцінкою визначено, що розрахунковий річний економічний ефект від застосування запропонованого МТА у складі Т-150К (модернізований)+АГ-6 в порівнянні з базовим агрегатом становить 4953 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЯ

Білецький В.Р. Обґрунтування параметрів колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів на основі взаємодії з ґрунтовим середовищем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Львівський державний аграрний університет, Львів, 2006.

Дисертаційна робота присвячена зменшенню переущільнення орного шару дерново-підзолистих ґрунтів сільськогосподарського використання до екологічно безпечного рівня шляхом обмеження питомого тиску з боку колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів. Робота містить теоретичні та експериментальні дослідження взаємодії ґрунтового середовища з колісним рушієм в залежності від типорозміру та експлуатаційних характеристик рушія.

В роботі встановлено раціональні параметри колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів для застосування в ґрунтово-кліматичних умовах зони Полісся України, що забезпечують мінімізацію незворотного руйнування структури ґрунту та зменшують показник ступеня підвищення щільності. Розроблено математичну модель взаємодії пари колісних рушіїв з ґрунтом та емпіричні моделі впливу їх параметрів на ґрунтове середовище.

Виконано порівняльну перевірку в лабораторно-польових умовах запропонованого модернізованого рушія з його серійними аналогами.

Застосування модернізованих колісних рушіїв забезпечує: зменшення переущільнення дерново-підзолистих ґрунтів, збереження їх структури, більш повне використання потенційної родючості ґрунтів.

Розрахована економічна ефективність використання машинно-тракторних агрегатів оснащених запропонованими рушіями. Результати роботи впроваджені у виробництво.

Ключові слова: переущільнення, параметри, колісний рушій, напружений стан, машинно-тракторний агрегат, показник ступеня підвищення щільності.

АННОТАЦИЯ

Билецкий В.Р. Обоснование параметров колесных движителей машинно-тракторных агрегатов на основе взаимодействия с грунтовой средой. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11. – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Львовский государственный аграрный университет, Львов, 2006.

Диссертационная работа посвящена уменьшению переуплотнение пахотного пласта дерново-подзолистых почв сельскохозяйственного использования к экологически безопасному уровню путем ограничения удельного давления со стороны колесных движителей машинно-тракторных агрегатов.

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия почвенной среды с колесным движителем в зависимости от типоразмера и эксплуатационных характеристик движителя.

В работе установлена закономерность взаимодействия пары колесных движителей с почвой и разработанная математическая модель взаимодействия пары колесных движителей с почвой. Обоснованы и формализованы конструкционно-эксплуатационные нормативы предельно допустимых уровней давления на почву колесных движителей машинно-тракторных агрегатов.

Установлены рациональные параметры и разработан алгоритм проектирования колесных движителей, которые обеспечивают минимизацию невозвратимого уплотнения почвы.

Предложено, как показатель отрицательного действия колесных движителей, показатель уровня уплотнения почвенной среды. Экспериментально определено агротехнические и энергетические показатели выполнения технологического процесса обработки почвы комбинированным почвообрабатывающим орудием в агрегате с трактором Т-150К, что оснащен предлагаемыми движителями. Разработаны эмпирические модели влияния параметров колесных движителей на состояние почвенной среды.

Разработанная конструкторско-технологическая документация на изготовление исследовательского комплекта модернизованных колесных движителей трактора Т-150К. Проведена экспериментальная проверка и лабораторно-полевые исследования почвообрабатывающих орудий, в агрегате с исследуемым образцом, трактор Т-150К (модернизованный). Выполнено сравнительную проверку в полевых условиях предлагаемого модернизованного движителя с его серийными аналогами.

Проведена комплексная агротехническая и экологическая оценка исследуемого образца, выполнена статистическая обработка, анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований.

Применение модернизованных колесных движителей обеспечивает: уменьшение переуплотнения дерново-подзолистых почв, сохранение их структуры, более полное использование потенциального плодородия почв.

Рассчитана экономическая эффективность использования машинно-тракторных агрегатов оснащенных предлагаемыми движителями. Результаты работы введены в производство.

Ключевые слова: переуплотнение, параметры, колесный движитель, напряженное состояние, машинно-тракторный агрегат, показатель уровня повышения плотности.

ANNONFNION

Biletsky V. R. The substantiation of the parameters of machine and tractor wheel propellers on the basis of their interaction with soil medium. – Manuscript.

Thesis for he degree of technical sciences speciality 05.05.11 – machines and mechanized implements of the agricultural production. – Lviv State Agrarian University, Lviv, 2006.

The thesis deals with the problem of reducing overcompression of arable layers of derno-podzolic soils of agricultural use through the limitation of unit

pressure from machine and tractor wheel propellers. The paper presents the results

of theoretical and experimental investigations of the soil medium interaction with wheel propellers depending on the type and dimension of propellers as well as their

operating charecteristics.

The paper also establishes rational parameters of machine and tractor wheel propellers to be applied under the conditions of Ukrainian Polissya with aim of minimizing irreversible destruction of soil structure and reducing the rate of compression increase. A mathematical model of wheel propeller pair and soil interaction and empirical models of the influence of propeller parameters on the soil medium has been developed. The comparative checking of the proposed modernized propeller and its commercial analogs has been performed under field conditions.

The application of modernized wheel propellers ensures the reduction of overcompression of derno-podzolic soil, preservation of their structure and fuller utilization of potential soil fertility.

The economic efficiency of using machine units and tractors equipped with