МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

МІТКОВ Василь Борисович

УДК 631.372 + 631.312

Обґрунтування схеми і параметрів агрегату

для оранки ґрунту одночасно з подрібненням

рослинних решток

Спеціальність 05.05.11 - Машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Мелітополь – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Надикто Володимир Трохимович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри Машиновикористання в землеробстві

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Лебедєв Анатолій Тихонович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, завідуючий кафедрою трактори і автомобілі

кандидат технічних наук, доцент Караєв Олександр Гнатович, Інститут зрошуваного садівництва ім. М.Ф. Сидоренка УААН, завідуючий відділом зрошення і механізації

Провідна установа: Дніпропетровський державний аграрний університет, Міністерство аграрної політики України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “ 02 ” березня 2007 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К18.819.01 при Таврійській державній агротехнічній академії за адресою: 72312, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр-т Б.Хмельницького, 18

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Таврійської державної

агротехнічної академії за адресою: 72312, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр-т Б.Хмельницького, 18

Автореферат розіслано 22 січня 2007 р.

Вчений секретер

спеціалізованої вченої ради __________В.Т.Діордієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обробіток ґрунту, взагалі, а основний – зокрема, є найбільш енергоємним технологічним процесом, на який припадає приблизно 40% енергетичних і 25% трудових витрат з усього обсягу польових робіт.

Проведенню основного обробітку ґрунту передує, як правило, подрібнення рослинних залишків попередника. Сучасні технології вирощування грубостеблових культур передбачають роздільне виконання операцій подрібнення рослинних решток та основного обробітку ґрунту.

Практика показує, що іноді однократного подрібнення стерні с.-г. культур пасивними дисковими чи іншими робочими органами недостатньо. Двократне ж проведення цієї операції пов'язане з певними енергетичними та фінансовими витратами.

З огляду на це, вчені та конструктори намагаються створити машини для подрібнення стерні грубостеблових культур робочими органами, привід яких здійснюється від валу відбору потужності (ВВП) енергетичного засобу. Найбільш перспективним напрямком використання таких машин є їх об’єднання з ґрунтообробними (зокрема орними) знаряддями у складі одного МТА.

Основним недоліком комбінованих агрегатів аналогічного призначення є недостатньо висока якість виконання технологічного процесу, що обумовлюється наявністю взаємного впливу одне на одного різних за функціональним призначенням (в даному випадку - подрібнюючого та орного) знарядь.

Водночас, наявність у комбінованих машинно-тракторних агрегатів низки потенційних переваг дозволило сформулювати робочу гіпотезу, суть якої полягає в наступному: зменшення взаємного впливу подрібнювального та орного знарядь можна здійснити шляхом їх роздільного агрегатування у складі одного подрібнювально-орного МТА.

Для використання такого агрегату потрібно на передній механізм трактора, який має передній вал відбору потужності (ВВП), навісити фрезерний подрібнювач рослинних решток, а на задній - полицевий плуг.

Проте, переваги агрегату з фронтальним подрібнювачем і задньонавісним плугом можуть бути практично реалізовані лише за умови правильного вибору його схеми та конструктивних параметрів. Враховуючи той факт, що відомі теоретичні та експериментальні напрацювання у цьому напрямку не дозволяють повністю досягти поставленої мети, пошуки нових шляхів вирішення цієї задачі слід вважати актуальним напрямком наукових досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дослідження, що складали основу дисертаційної роботи, виконувалися у відповідності з планом наукової програми Таврійської державної агротехнічної академії на 2001...2005 роки “Розробка наукових систем, технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки південного регіону України” (державний реєстраційний номер 0102V000678) та програми Національного наукового центру „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за темою „Розробити та перевірити в умовах півдня України комплекси машин на основі нових енергетичних засобів” (державний реєстраційний номер 0102V000530).

Метою досліджень є зменшення питомих витрат палива та підвищення техніко – економічних і якісних показників роботи подрібнювально-орного МТА шляхом обґрунтування його схеми і конструктивних параметрів.

Для досягнення поставленої мети слід вирішити наступні задачі досліджень:

- обґрунтувати ширину захвату та швидкість руху комбінованого подрібнювально-орного агрегату;

- розробити математичну модель подрібнювально-орного агрегату і на її основі оцінити вплив схеми та параметрів МТА на динаміку його руху у поздовжньо-вертикальній площині;

- експериментально оцінити вплив схеми і параметрів подрібнювально-орного МТА на його тягово-енергетичні, траєкторні та якісні показники роботи;

- провести експлуатаційно-технологічну оцінку подрібнювально-орного агрегату;

- розробити науково обґрунтовані рекомендації щодо вибору схеми та параметрів подрібнювально-орного МТА.

Об’єкт досліджень - процес функціонування комбінованого МТА у складі трактора, фронтального подрібнювача рослинних решток і задньонавісного плуга як складових єдиної динамічної системи.

Предмет досліджень - закономірності впливу схеми та параметрів подрібнювально-орного агрегату на характер відпрацювання ним зовнішніх збурень.

Методи досліджень. Вибір схеми і параметрів подрібнювально-орного МТА здійснювався шляхом аналізу на ПК отриманих математичних залежностей і базувався на положеннях теоретичної механіки, теорій автоматичного регулювання, ймовірності і математичної статистики.

Експериментальні дослідження проводили як згідно з загальноприйнятими, так і розробленими методиками із застосуванням тензометричного та навігаційного обладнань. Обробку вихідних даних здійснювали на ПК з використанням положень регресивного, а також кореляційно - спектрального аналізів.

Наукова новизна результатів досліджень:

- дістала подальший розвиток методика обґрунтування ширини захвату та швидкості руху комбінованого подрібнювально-орного агрегату, за допомогою використання частинних похідних;

- удосконалено математичну модель, яка дає можливість достовірно оцінити вплив схеми і параметрів подрібнювально-орного МТА на плавність його руху у поздовжньо-вертикальній площині;

- вперше одержані закономірності впливу коливань поздовжнього профілю агрофону та нерівномірності тягового опору задньонавісного плуга на динаміку вертикальних переміщень трактора і фронтального подрібнювача рослинних решток, а також тягово-енергетичні, траєкторні та якісні показники роботи подрібнювально-орного машинно-тракторного агрегату.

Практичне значення результатів досліджень.

Основне практичне значення результатів досліджень полягає:

- в підтвердженні гіпотези щодо техніко - економічної доцільності і можливості поєднання у складі одного комбінованого агрегату фронтального подрібнювача рослинних решток і задньонавісного плуга;

- в розробці експериментального зразка фронтального подрібнювача рослинних решток, який експонувався на виставці Агро – 2006 (м. Київ).

На основі отриманих теоретичних та експериментальних даних розроблено практичні рекомендації з настроювання подрібнювально-орного МТА, які впроваджено у дослідному господарстві Південного філіалу ННЦ “ІМЕСГ” УААН (Запорізька обл., с.м.т. Якимівка), прийнято ВАТ “Харківський тракторний завод ім. С.Орджонікідзе”, а також використовуються в навчальному процесі Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь).

Особистий внесок автора полягає в:

- розробці математичної моделі подрібнювально-орного МТА [7];

- розробці методики теоретичних та експериментальних досліджень подрібнювально-орного МТА і методів обробки отриманих даних [5, 6];

- виготовленні експериментального зразка подрібнювача роторного типу;

- розробці рекомендацій з вибору оптимальної схеми та параметрів подрібнювально-орного МТА [2, 8].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи викладено в доповідях на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу аспірантів і співробітників Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь, 2002...2006 рр.), міжнародній науково - технічній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Миколаїв, 2002 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми степового землеробства і рослинництва та їх вирішення в реформованих сільськогосподарських підприємствах” (м. Миколаїв, 2003 р.), міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Мелітополь, 2006 р.)

Публікації.

За результатами досліджень у фахових виданнях опубліковано 10 друкованих праць, серед яких два патенти України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, списку літератури та додатків. Дисертація викладена на 174 с. машинопису ( в т.ч. 133 с. основного тексту) і включає 66 рисунків та 8 таблиць.

Зміст роботи

Розділ 1 Стан питання і задачі досліджень

Практикою встановлено, що проведення двох окремих операцій, а саме дискування стерні грубостеблових культур та оранки, потребує не менше 30 кг палива на кожен гектар оброблюваної площі.

Одним із шляхів зменшення цього показника є проведення одночасного виконання подрібнення стерні та основного обробітку ґрунту. Найкраще для цієї мети підходить комбінований агрегат, технологічна частина якого складається із плуга та подрібнювача рослинних решток з приводом його робочих органів від ВВП трактора. При цьому, для виключення впливу функціонування одного знаряддя на якісні показники роботи другого, подрібнювач, згідно розробленої нами робочої гіпотези, слід навішувати на передній навісний механізм трактора, а плуг – на задній. Із вітчизняних енергетичних засобів для цього підходять трактори сімейства ХТЗ-120/160, оскільки лише вони мають передній навісний механізм і передній ВВП.

Питаннями розробки основ проектування та агрегатування комбінованих ґрунтообробних, а також інших агрегатів займались і продовжують займатися багато вчених. Визначальним серед них є роботи Погорілого Л.В., Лебедєва А.Т., Кутькова Г.М., Габай Є.В., Булгакова В.М., Янушкєвіча Б.Н., Касимова А.Ш., Кірюхіна В.Г., Надикто В.Т., Кабакова М.С., Кочева В.І. та ін.

В своїх дослідженнях вони особливо наголошують, що потенційні переваги комбінованих МТА можуть бути реалізовані лише за умови правильного вибору їх схеми та конструктивних параметрів. При цьому до першочергових відносяться питання обґрунтування ширини захвату агрегатуємих знарядь, дослідження динаміки руху трьохланкового агрегату у поздовжньо-вертикальній площині, визначення впливу технологічної частини МТА на тягово-енергетичні, траєкторні, експлуатаційно-технологічні та якісні показники роботи тощо.

В процесі розв’язування цих задач використано методичні положення, розроблені такими вченими, як Бабіцький Л.Ф., Лучинський М.Д., Мазітов Н.К., Іванов А.І., Кузнєцов Ю.І., Шабала М.О., Дроздов В.Н., Надикто В.Т., Бєлов Г.Д., Пахарь Н.І., Муфтеев Р.С., Синьооков Г.М., Любімов А.І. та інші вчені.

Розділ 2 Теоретичні основи обґрунтування параметрів подрібнювально-орного МТА

Продуктивність подрібнювально-орного агрегату (W), як і інших МТА, залежить, в основному, від швидкості руху (V) та ширини захвату (В) сільськогосподарських машин, які входять до його складу.

Максимальна продуктивність праці має місце при оптимальних значинах параметрів В і V. Умову оптимізації останніх можна представити наступним чином:

,

де Neн - номінальна потужність двигуна трактора.

В кінцевому вигляді залежності для визначення оптимальних значин швидкості руху (Vопт) та ширини захвату (Вопт) МТА мають вид:

2·b·K3м·В3опт·Н3 + G·K2м·В2опт·Н2·(м·а+b·f) + b·f·G·K2мB2опт·Н2 +

+ 2·a·f·м·G2Kм·Вопт·Н – м2G3= 0, (1)

Nенмт·Кн·[1- а·Км·Вопт·Н/м·G – b·(Км·Вопт·Н/м·G)2]

Vопт = , (2)

Км·Вопт·Н + f·G

де b, a – коефіцієнти апроксимації кривої буксування трактора ХТЗ-120; Км? питомий тяговий опір плуга; Н – глибина оранки; G – вага трактора; м - коефіцієнт зчеплення рушіїв енергетичного засобу з ґрунтом; f – коефіцієнт опору коченню; мт - механічний коефіцієнт корисної дії трансмісії трактора; Кн – коефіцієнт кінематичної невідповідності в приводі мостів трактора.

В результаті розрахунку залежностей (1) і (2) встановлено, що при Nен = 110 кВт; b = 0,6472; а = 0,012; Kм = 66 кН/м2; H = 0,25 м; G = 79,5 кН; = 0,7; f = 0,08; мт = 0,95 і Кн=1,03 – Вопт = 1,23 м, а Vопт = 3,1 м/с або 11,1 км/год.

Якщо трактор ХТЗ-120 буде агрегатуватися з чотирьох- або п’ятикорпусними плугами типу ПЛН, то мінімальна робоча ширина їх захвату повинна становити не 1,23 м, як це випливає із розрахунків, а 1,48…1,86 м. Для плугів типу ПНУ цей параметр коливатиметься в межах 1,69...2,12 м. Для плуга ПНЯ – 1,69м.

На практиці це призведе до відповідного зниження робочої швидкості агрегату. Так при Вопт = 1,75 м значина Vопт становитиме 2,2 м/с (7,92 км/год.). Це не тільки припустимо, а й навіть бажано, оскільки реалізація на практиці робочої швидкості руху орних МТА більшої за 10 км/год є технічно і технологічно складною.

Враховуючи вищевикладене, можна стверджувати, що при роботі з плугами типу ПЛН конструктивна ширина захвату подрібнювача рослинних решток має бути не меншою 1,5 м, а при роботі зі знаряддями типу ПУН або ПНЯ - не меншою 1,7 м.

Під час робочого руху подрібнювально-орного МТА на трактор, подрібнювач і плуг передаються поштовхи та удари, викликані нерівностями профілю поля, нерівномірністю опору ґрунту тощо. В загальному випадку всі три ланки агрегату здійснюють при цьому поступальні вертикальні та кутові поздовжні переміщення.

Розрахункова динамічна модель трактора у складі подрібнювально-орного МТА має два ступеня вільності: вертикальне переміщення (Zт) його центру мас (т.S) та кутові коливання остова (рис. 1).

Рис. 1. Розрахункова модель вертикальних коливань трактора. |

Динамічна модель подрібнювача рослинних решток характеризується лише одним ступенем вільності: вертикальним переміщенням (Z3=Zм) його центру мас т. Sм, (рис. 2). Вплив цього знаряддя на динаміку плавності енергетичного засобу здійснюється через його передній навісний механізм з допомогою сили Rм.

Вплив задньонавісного плуга на вертикальні коливання трактора здійснюється через його задній навісний механізм завдяки силі Rп (рис.3). |

Рис. 3. Схема сил, які діють на задньонавісний плуг у по-здовжньо - вер-тикальній пло-щині. |

Математична модель вертикальних коливань подрібнювально-орного агрегату має наступний вигляд:

.. . .. .

A11Z1 + A12Z1 + A13Z1 + A14Z2 = f11h1 + f12h1 + f13Rx + f14;

.. . .. .

A21Z2 + A22Z2 + A23Z2 + A24Z1 = f21h2 + f22h2 + f23Rx + f24; , (3)

.. . .

A31Z3 + A32Z3 + A33Z3 = f31h3 + f32h3 + f33Rx + f34,

де А11 = Мт(L-a)2 + Jтц. м./L2;

A21 = (Мта2 +Jтц. м.)/L2;

A31 = Мм;

A12 = 2Kш;

A22 = A12;

A32 = 2Кшм; | А13 = 2Сш;

A23 = A13;

А33 = 2Сшм;

A14 = {2Мтa(L-a) – Jтц. м.}/L2;

A24 = A14;

f32 = А33; | f11 = f21 = A12;

f31 = А32;

f12 = f22 = A13;

f33 = 0;

f34 = Rм;

f13 = Lo(0,5Н - 0,2Dп)/(Lп + Dн + Dк)L;

f23 = (L - Lм)(0,5Н - 0,2Dп)/(Lп + Dн + Dк)L;

f14 = Rм(L-Lм)(Lп + Dн + Dк) - GпDoLп/L(Lп + Dн +Dк);

f24 = RмLм(Lп + Dн + Dк) - GпDo(L -Lп)/L(Lп + Dн +Dк);

Rм = Gм(Со + frк) / (Lо + ам + Со);

Rп = Rx(0,5Н - 0,2Dп) - GпDo/(Lп + Dн + Dк).

У системі рівнянь (3) Мт, Jт - маса трактора та його момент інерції у поздовжньо-вертикальній площині проекцій; Мм, Gм - маса та сила ваги подрібнювача рослинних решток; Сш, Сшм і Кш, Кшм - коефіцієнти жорсткості та коефіцієнти опору деформуванню шин коліс трактора і коліс подрібнювача відповідно; Gп - сила ваги плуга; f - коефіцієнт опору коченню; rк - радіус кочення колеса подрібнювача; Rx - горизонтальна складова тягового опору плуга. Природа інших конструктивних параметрів зрозуміла із рис.1, 2 і 3.

Якщо в системі диференційних рівнянь вимушених коливань подрібнювально-орного МТА здійснити перетворення Лапласа, то отримаємо математичну модель динаміки його руху в операторній формі запису:

К11Z1(s) + K12Z2(s) + К13Z3(s) = F11h1(s) + F12h2(s)+F13h3(s) + F14Rx(s)+F15;

К21Z1(s) + K22Z2(s) + K23Z3(s) = F21h1(s) + F22h2(s)+F23h3(s) + F24Rx(s)+F25; (4)

К31Z1(s) + K32Z2(s) + K33Z3(s) = F31h1(s) + F32h2(s)+F33h3(s) + F34Rx(s)+F35;

де K11 =A11s2 + A12s +A13; | K12 = A14s2; | K13 = 0; | F11 = f11s + f12; | F12 = 0; | F13 = 0; | F14 = f13; | F15 = f14; | K21 = A24s2; | K22 = A21s2 + A22s +A23; | K23 = 0; | F21 = 0; | F22 = f21s + f22; | F23 = 0; | F24 = f23; | F25 = f24; | K31 = 0; | K32 = 0; | K33 = A31s2 + A32s +A33; | F31 = 0; | F32 = 0; | F33 = f31s +f32; | F34 = f33; | F35 = f34. | s = d/dt – оператор диференціювання.

Вхідними величинами виступають: висоти нерівностей під передніми (h1) і задніми (h2) колесами трактора, та колесами подрібнювача рослинних решток (h3), а також тяговий опір плуга (Rx). Вихідними - амплітуди коливань рами подрібнювача (Z3), переднього (Z1) і заднього (Z2) мостів трактора ХТЗ-120 (рис.1, 2, 3).

Вплив схеми та параметрів подрібнювально-орного МТА на плавність його руху у поздовжньо-вертикальній площині оцінювали за допомогою амплітудних (АЧХ) і фазових (ФЧХ) частотних характеристик відпрацювання динамічною системою зовнішніх збурень.

Аналіз теоретичних АЧХ і ФЧХ показує, що переналагодження трактора у складі подрібнювально-орного МТА з прямого ходу на реверсивний суттєвого впливу на відпрацювання подрібнювачем рослинних решток коливань нерівностей профілю шляху не здійснює. Такий же результат має місце і при зміні коефіцієнта опору деформації (Кшм) шин опорних коліс цього знаряддя, а також коефіцієнтів жорсткості (Сш) та опору деформації (Кш) шин трактора.

Збільшення коефіцієнта жорсткості шин подрібнювача рослинних решток (Сшм), як випливає (рис. 4), приводить до опускання АЧХ. Інтенсивність цього процесу по мірі росту значини Сшм спадає. З точки зору бажаного відпрацювання нерівностей профілю агрофону фронтальним подрібнювачем коефіцієнт жорсткості його шин слід збільшувати. Значина цього параметру повинна бути не меншою 115 кН/м. В межах одного типорозміру шин цього можна добитися шляхом відповідного підвищення в них тиску повітря. |

Рис. 4. Амплітудно - частотна характеристика вертикальних коливань подрібнювача при відтворенні ним коливань профілю шляху з різними коефіцієнтами жорсткості шин Сшм: 1- 25 кН/м; 2 - 70 кН/м; 3 - 115 кН/м; 4 - 160 кН/м.

Що стосується фазового зсуву, то від схеми руху трактора у складі подрібнювально-орного агрегату, а також зміни коефіцієнтів Кш, Сш і Кшм він майже не залежить. В діапазоні частот 0,5...7 с-1 його значина дорівнює 360о. Практично це означає, що запізнення реакції подрібнювача рослинних решток на збурюючий вплив (тобто коливання висоти нерівностей поздовжнього профілю шляху) змінюється в межах 12,5...0,9 с.

Певний інтерес представляє характер поведінки ФЧХ при зміні коефіцієнта жорсткості шин коліс розглядуваного фронтального знаряддя (Сшм). При значині цього параметра 25 кН/м фазовий зсув в реакції динамічної системи на збурення в діапазоні частот 6,0...8,5 с-1 різко зменшується з 360о до 200о (рис. 5). В часовому вимірюванні це рівнозначно зменшенню запізнення реакції подрібнювача приблизно на 0,6 с.

Рис. 5. Фазово - частотна характеристика вертикальних коливань фронтального подрібнювача при відтворенні ним коливань профілю шляху з різними коефіцієнтами жорсткості шин Сшм: 1- 25 кН/м; 2 70 кН/м; 3 - 115 кН/м. | Як випливає із рис.5, чим більша значина коефіцієнта жорсткості шин фронтального подрібнювача, тим при вищій частоті починається цей процес. При Сшм = 115 кН/м в аналізуємому діапазоні частот 0,5...7,0 с-1 він взагалі відсутній.

Вплив жорсткості шин коліс енергетичного засобу такий же, як і у подрібнювача рослинних решток: ріст коефіцієнта Сш супроводжується опусканням АЧХ. Тобто, збільшення жорсткості шин приводить до зменшення коефіцієнта підсилення переднім мостом енергетичного засобу збурюючих вертикальних коливань, що, безумовно, є бажаним. Але знову ж таки, в діапазоні частот 0,5...7,0 с-1 ця закономірність дуже слабо виражена, що дає право стверджувати про практичну незалежність динаміки вертикальних коливань трактора ХТЗ-120 від зміни коефіцієнта Сш.

Результати математичного моделювання руху трактора показують, що переналагодження ХТЗ-120 на прямий хід, який працює у складі подрібнювально-орного МТА, приводить до підйому АЧХ при відпрацювання ним коливань нерівностей поздовжнього профілю шляху. Різниця між порівнюваними амплітудно - частотними характеристиками відчутна на частотах, більших за 7 с-1.

При збільшенні маси подрібнювача майже на 25% (200 кг) коефіцієнт підсилення ним, як динамічною системою, вхідного сигналу (тобто висоти нерівностей шляху) в діапазоні частот 0,5...7 с-1 не перевищує 13%. Не дивлячись на відносно невелику значину росту згаданого коефіцієнту, в цілому зростання ваги даного фронтального знаряддя є небажаним.

Аналіз розрахованих АЧХ показує, що коливання тягового опору плуга здійснюють значно менший вплив на плавність руху трактора, ніж коливання поздовжнього профілю шляху. При прямому рухові ХТЗ-120 у складі подрібнювально-орного МТА максимальна значина амплітуди коливань його переднього мосту припадає на резонансну частоту = 11,5 с-1 і становить всього 1,4 мм/кН (рис.6). Зі збільшенням значини Сш відповідні АЧХ опускаються з одночасним зміщенням їх максимумів у бік більш високих частот, що є бажаним.

Рис. 6. Амплітудно - частотна характеристика вертикальних коливань переднього мосту трактора при відтворенні ним коливань тягового опору плуга при прямому (- -) і реверсивному () рухах з різними коефіцієнтами жорсткості шин Сш: 1 - 250 кН/м; 2 - 350 кН/м; 3 - 450 кН/м. |

Експериментально встановлено, що середнє квадратичне відхилення тягового опору плуга в умовах лабораторно - польових досліджень становило 3,8 кН. Значить навіть на вищезгаданій резонансній частоті 11,5 с-1 середнє квадратичне відхилення коливань переднього мосту трактора ХТЗ-120, викликаних випадковим характером зміни тягового опору знаряддя, слід очікувати на рівні всього 5,3 мм.

Певний інтерес представляє динаміка цих АЧХ при різних кутах нахилу тяг переднього і заднього навісних механізмів енергетичного засобу. В процесі теоретичних досліджень ці кути змінювали від 10 до 30о. Встановлено, що зменшення значини цього параметра при відтворенні подрібнювально-орного агрегатом коливань тягового опору плуга приводить до небажаного підіймання АЧХ на частотах 0,5...9,0 с-1 і бажаного їх опускання на частотах, більших за 9 с-1 (рис. 7). Причому, процес зменшення амплітуди вертикальних коливань трактора відбувається значно інтенсивніше, ніж процес її зростання. На загал це говорить про доцільність установки центральних тяг навісних механізмів трактора з меншим кутом.

Рис. 7. Амплітудно - частотна характеристика вертикальних коливань переднього мосту трактора при відтворенні ним коливань тягового опору плуга при реверсивному рухові з різними кутами нахилу центральної тяги переднього навісного механізму:1 - 20о; 2 - 12о; 3 - 5о. | В дійсності це твердження повністю справедливе тільки щодо фронтального подрібнювача, який навішується на ПНМ трактора ХТЗ-120. Установка ж центральної тяги заднього навісного механізму трактора під меншим кутом приводить до відповідного зменшення довантаження його задніх рушіїв, що недоцільно з точки зору досягнення енергетичним засобом високих тягових показників.

Що стосується фазового зсуву при відпрацюванні розглядуваною динамічною системою збурень у вигляді коливань тягового опору плуга, то як показують результати математичного моделювання, запізнення реакції трактора на дію вхідної величини відчутне лише при зміні жорсткості шин його коліс (рис.8). Причому, в діапазоні частот 0,5...9,0 с-1 вплив цього показника не проявляється. Передній міст ХТЗ-120 реагує на збурення майже із постійним запізненням, яке становить 180о. При частоті = 0,5 с-1 ця затримка дорівнює 6,28 с, а при = 9 с-1 вона зменшується до 0,35 с.

Рис. 8. Фазово - частотна характеристика вертикальних коливань переднього мосту трактора при відтворенні ним коливань тягового опору плуга з різними коефіцієнтами жорсткості шин Сш: 1 - 250 кН/м; 2 - 350 кН/м; 3-450 кН/м. |

Розділ 3 Програма і методика експериментальних досліджень

Об’єктом експериментальних досліджень був комбінований подрібнювально-орний МТА, який складався з трактора ХТЗ-120, тензометричного плуга ПЛН-5-35 та подрібнювача рослинних решток під умовною маркою ПРР-1,5 (рис. 9).

Рис. 9. Подрібнювально-орний МТА на базі трактора ХТЗ-120 в роботі.

Програма експериментальних досліджень передбачала: визначення масово-геометричних параметрів подрібнювально-орного агрегату на базі трактора ХТЗ-120; отримання експериментальних даних, необхідних для перевірки математичної моделі подрібнювально-орного МТА на адекватність; з’ясування трудоємкості агрегатування фронтального подрібнювача з трактором; визначення ступеню впливу схеми і режиму роботи комбінованого агрегату на його тягово-енергетичні показники, якість подрібнення рослинних решток та динаміку руху у поздовжньо-вертикальній площині; проведення порівняльної оцінки якості роботи подрібнювально-орного МТА з окремою роботою трактора з бороною БДТ-7 та з плугом ПЛН-5-35.

Реєстрацію параметрів, необхідних для визначення експлуатаційно - технологічних і агротехнічних показників МТА, здійснювали з використанням обладнання, рекомендованого ГОСТ 18509-80 і ОСТ 70.4.1-80. Для запису вимірних параметрів на осцилограф подрібнювально-орний агрегат був обладнаний відповідним комплектом вимірювально-реєструючої апаратури (рис. 10).

Під час проведення лабораторно-польових досліджень комбінованого МТА на базі трактора ХТЗ-120 реєстрували: вологість, щільність та забур’яненість ґрунту; коливання поздовжнього профілю поля; частоту обертання коліс та переднього валу відбору потужності трактора; крутний момент на передньому ВВП; тяговий опір плуга; курсовий кут трактора; кут повороту керованих коліс трактора; оберти шляховимірювального колеса; амплітуду вертикальних коливань переднього мосту трактора; робочу ширину захвату та швидкість руху орного МТА; глибину оранки та прямолінійність борозни; погодинні витрати палива; якість подрібнення соняшника.

Рис. 10. Схема вимірювально-реєструючого комплексу:

К12-22 - 12-и канальний світлопроменевий осцилограф; БО - блок опорів; КБ-8 - тензобалансувальна коробка; Кк - клемна коробка; = 24В, = 4В - джерела живлення постійного струму; Ркр, Мввп - тензометричні мости для виміру тягового опору плуга та крутного моменту на валу відбору потужності трактора; - давач кута повороту керованих коліс трактора; ГПК-52 - гіропівкомпас курсового кута; nкт, nшк - давачі обертів коліс трактора та шляховимірювального колеса; ВГ - віброграф Гейгера.

В процесі обробки даних лабораторно-польових досліджень сумарна похибка вимірювання тягового зусилля та амплітуди коливань переднього мосту трактора ХТЗ-120 не перевищувала 2%. Похибка вимірювання витрат палива мірним бачком не перевищувала 1,5%, а похибка вимірювання швидкості робочого руху МТА була менше 1%. Що стосується похибок вимірювання параметрів, реєструємих під час експлуатаційно–технологічної оцінки орних агрегатів, то вони знаходилась в межах 3...5%.

Для розрахунку експлуатаційно-технологічних показників подрібнювально-орного МТА використовували методику, викладену в ГОСТ 24055–88 “Методи експлуатаційно-технологічної оцінки”.

Розділ 4 Результати експериментальних досліджень

Аналіз результатів досліджень показав, що як при прямому, так і реверсивному рухові трактора ХТЗ-120 у складі подрібнювально-орного МТА, хвостовик редуктора валу відбору потужності енергетичного засобу бажано налагоджувати на режим обертання з частотою 1000 хв-1. При приблизно однаковому часі запуску робочих органів подрібнювача рослинних решток крутний момент при цьому режимі має майже вдвічі меншу значину (105 проти 200 Нм), ніж при налагодженні хвостовика редуктора ВВП трактора ХТЗ-120 на частоту обертання 540 хв.-1.

Лабораторно-польові дослідження подрібнювально-орного агрегату на базі трактора ХТЗ-120 проводили на оранці стерні соняшника. Середня значина вологості ґрунту в шарі 0...30 см становила 19,9%, а щільності - 1,39 г/см3. Висота стерні соняшнику змінювалась в межах 43 2 см. Агрегат рухався правими колесами в борозні (див. рис.9) на двох передачах. На першій із них робоча швидкість МТА дорівнювала 1,6 м/с, а на другій - 2,0 м/с (табл. 1). Для кращої оглядовості фронтального знаряддя трактора ХТЗ-120 був налаштований на реверсивний хід.

Таблиця 1–

Тягово-енергетичні показники роботи подрібнювально-орного агрегату

Показник | Значина показника | Робоча швидкість руху, м/с (км/год.) | 2,0 (7,2) | Робоча ширина захвату МТА, м | 1,38 | Глибина оранки: середня значина, см | 25,6 | довірчий інтервал, см | 25,00,3 | стандарт, см | 1,2 | коефіцієнт варіації, % | 4,8 | Тяговий опір плуга, кН | 25,0 | Буксування рушіїв, % | 14,9 | Погодинні витрати палива, кг/год. | 20,5 | Продуктивність за 1 год. основного часу, га/год. | 1,0

Питомі витрати палива, кг/га | 20,5 | Ступінь завантаження двигуна трактора, % | 85,0 |

Після проходу подрібнювача рослинних решток стерня соняшнику подрібнювалась на фракції, 41,3% із яких становили частинки, довжиною до 15 см. Використання подрібнювача рослинних решток дозволяє практично повністю загортати подрібнену стерню с.-г. культури без забивання корпусів плуга.

Коливання профілю шляху та глибини оранки носять аперіодичний характер, на що однозначно вказує відсутність в нормованих кореляційних функціях явно вираженої періодичної складової. Основна доля дисперсій коливань цих параметрів зосереджена в діапазоні частот 0...8 м-1 (рис. 11). При швидкості робочого руху подрібнювально-орного МТА 2,0 м/с це становить 0...16,0 с-1 або 0...2,5 Гц.

Рис. 11. Нормовані спектральні щільності коливань поздовжнього профілю агрофону (1) та глибини оранки (2). |

Дисперсія коливань поздовжнього профілю агрофону у порівнянні з дисперсією коливань глибини оранки більша (3,75 см2 проти 1,44 см2). Вказана різниця не є випадковою, оскільки згідно F- критерію Фішера на рівні значущості 0,05 нуль-гіпотеза про рівність цих статистичних оцінок відхиляється.

Результати експериментальних досліджень дають підстави вважати, що на глибину оранки більш суттєвий вплив здійснює поздовжній профіль поля. Значина взаємної кореляційної функції в цьому випадку становить 0,65. Це майже в три рази більше, ніж для процесу, який відображає взаємозв’язок коливань глибини оранки і тягового опору плуга (див. рис.12, крива 2). |

Рис. 12. Взаємні кореляційні функції коливань глибини оранки від впливу поздовжнього профілю поля (1) та коливань тягового опору плуга (2).

Наявність фронтального подрібнювача рослинних решток практично не впливає на енергію вертикальних коливань мосту енергетичного засобу (рис. 14). Дисперсії цих процесів при наявності фронтального подрібнювача рослинних решток і без нього є характеристиками однієї і тієї ж генеральної вибірки.

Рис. 14. Нормо-вані спектральні щільності вертикальних коливань мосту трактора при наявності подрібнювача рослинних решток (2) та без нього (1). |

На відміну від глибини оранки, коливання борозни у горизонтальній площині відбуваються у значно вужчому діапазоні. Основні спектри дисперсій цього параметру, а також курсового кута і кута повороту керованих коліс трактора ХТЗ-120 припадають на частоти 0...1,8 с-1 або 0...0,29 Гц (рис. 15).

Однією із найважливіших характеристик будь-якого МТА є трудоємкість його складання. Проблем в агрегатуванні дослідного зразка фронтального подрібнювача рослинних решток і задньонавісного плуга з трактором ХТЗ-120 не виявлено. Черговість їх приєднання до енергетичного засобу може бути довільною. Аналіз експериментальних даних показав, що два механізатори на приєднання фронтального подрібнювача до трактора ХТЗ-120 витрачали приблизно 7,5 хвилини. Від’єднання вказаного знаряддя тривало не більше 6 хвилин.

Рис. 15. Нормовані спектральні щільності коливань борозни (3), курсового кута (1) та кута повороту коліс (2) трактора ХТЗ-120. |

Експлуатаційно-технологічні показники роботи нового комбінованого МТА визначали у порівнянні з аналогічними показниками базових дискувального (ХТЗ-120 + БДТ-7) та орного (ХТЗ-120 + ПЛП-6(5)-35) агрегатів.

Аналіз хронометражних даних показав, що подрібнювально-орний агрегат у порівнянні з базовим орним мав на 20,4 % меншу ширину захвату (табл. 2).

Таблиця 2–

Експлуатаційно - технологічні показники роботи базових та нового МТА

Показник | Значина показника

Склад МТА: трактор | ХТЗ-120

знаряддя | БДТ-7 | ПЛП-6(5)-35 | ПРР-1,5 + ПЛН-5(4)-35

Режим роботи :

- ширина захвату, м | 6,75 | 1,76 | 1,40

- швидкість робочого руху, м/с | 2,0 | 1,70 | 2,00

- встановлена глибина обробітку ґрунту, см | 10,0 | 25,0 | 25,0

Продуктивність роботи, га/год.:

- основного часу | 4,86 | 1,07 | 1,00

- змінного часу | 4,27 | 0,90 | 0,83

- експлуатаційного часу | 4,20 | 0,88 | 0,81

Питомі витрати палива, кг/га | 4,9 | 21,0 | 20,0

Коефіцієнти:

- використання змінного часу | 0,88 | 0,84 | 0,83

- використання експлуатаційного часу | 0,86 | 0,82 | 0,81

- надійності технологічного процесу | 0,99 | 0,98 | 0,95

- використання робочих ходів | 0,92 | 0,91 | 0,90

Ширина поворотної смуги, м | 26,8 | 29,75 | 30,8

Агротехнічні показники:

- глибина обробки ґрунту, см | 9,8 | 25,7 | 26,0

- рівномірність глибини оранки, см | 2,1 | 1,9 | 1,7

- рівномірність ширини захвату, см | 12,6 | 6,8 | 5,8

- повнота загортання подрібнених решток, % | 56 | 84 | 98

Водночас, швидкість його робочого руху була на 17,6 % більшою. В результаті, продуктивність за 1 годину основного часу у базового орного МТА виявилася лише на 7% більшою, ніж у нового комбінованого агрегату.

Питомі (погектарні) витрати палива у подрібнювально-орного МТА на 4,7 % менші, ніж у орного і складають 20 кг/га. Пояснити це можна тим, що ширина захвату у останнього, а отже і витрати потужності двигуна на буксування рушіїв трактора, - більші. Витрати ж потужності на привід робочих органів подрібнювача в процесі виконання ним технологічного процесу, як уже підкреслювалось вище, невеликі.

Враховуючи незначну різницю в значинах ширини поворотної смуги та тривалості повороту, коефіцієнти використання зміни у порівнюваних орного і подрібнювально-орного агрегатів практично однакові. Приблизно однаковими є інші експлуатаційно-технологічні показники роботи двох порівнюваних агрегатів.

Що стосується якісних показників обробітку ґрунту, то у обох цих агрегатів вони знаходяться практично на однаковому рівні. З довірчою ймовірністю 95% можна стверджувати, що різниці між середніми значинами гребенистості поверхні і глибини оранки, а також між середніми квадратичними відхиленнями цього показника та ширини захвату – носять суто випадковий характер. Отриманий результат є цілком логічним, оскільки конструкція нового МТА не породжує передумов для зворотного твердження.

Розділ 5 Техніко-економічна ефективність подрібнювально-орного агрегату

В процесі визначення техніко-економічних показників новий комбінований МТА розглядали у двох варіантах:

1) ХТЗ-120 + подрібнювач рослинних решток + плуг ПЛН-4-35;

2) ХТЗ-120 + подрібнювач рослинних решток + плуг ПЛН-5-35.

Економічні показники нового комбінованого агрегату порівнювали з аналогічними показниками базових агрегатів на основі трактора ХТЗ-120, який агрегатується з дисковою бороною БДТ-7 (на подвійному дискуванні стерні просапної культури) та полицевим плугом ПЛН-5-35.

Розрахунок техніко-економічних показників порівнюваних машинно-тракторних агрегатів здійснювали за методикою, викладеною у ДСТУ 4397:2005 “Методи економічного оцінювання техніки на етапі випробувань”.

Аналіз розрахункових даних показав, що впровадження нового подрібнювально-орного агрегату за першою схемою дозволяє зменшити:

- витрати праці - на 23,5%;

- прямі витрати - на 8,4%;

- питомі капіталовкладення - на 27,7%;

- сукупні витрати - на 13,5%.

Зниження витрат у МТА за другою схемою наступне:

- витрати праці - на 29,3%;

- прямі витрати - на 11,0%;

- питомі капіталовкладення - на 33,5%;

- сукупні витрати - на 16,8%.

Річний економічний ефект від впровадження цих агрегатів складе відповідно 21 та 26 грн/га.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове рішення наукової задачі обґрунтування схеми і параметрів агрегату для оранки ґрунту одночасно з подрібненням рослинних решток, які забезпечують зменшення питомих витрат палива та підвищення показників роботи агрегату при основному обробітку ґрунту.

За результатами досліджень зроблено такі основні висновки:

1. Основний обробіток ґрунту після збирання грубостеблових культур (кукурудза, соняшник тощо) доцільніше проводити одночасно із подрібненням та загортанням у грунт їх стерні. Для виконання цього технологічного процесу найкраще підходить комбінований машинно-тракторний агрегат, технологічну частину якого мають складати передньонавісний фрезерний подрібнювач рослинних решток і задньонавісний плуг.

2. Встановлено, що при роботі трактора з плугами типу ПЛН (ПЛН-4-35, ПЛН-5-35) конструктивна ширина захвату подрібнювача рослинних решток має бути не менше 1,5 м, а при роботі зі знаряддями типу ПУН (ПУН-4-40, ПУН-5-40) або плугом ПНЯ-4-40 - не менше 1,7 м.

3. Аналіз теоретичних амплітудних і фазових частотних характеристик показує, що переналагодження трактора у складі подрібнювально-орного МТА з прямого ходу на реверсивний суттєвого впливу на відпрацювання подрібнювачем рослинних решток і самим енергетичним засобом коливань нерівностей профілю шляху та коливань тягового опору плуга не здійснює.

4. Результати математичного моделювання показують, що збільшення коефіцієнта жорсткості шин фронтального подрібнювача рослинних решток приводить до бажаного опускання відповідних амплітудних частотних характеристик з одночасним зміщенням їх максимумів у бік більш високих частот. З точки зору бажаного відпрацювання нерівностей профілю агрофону та коливань тягового опору плуга фронтальним знаряддям, коефіцієнт жорсткості його шин має бути не менше 115 кН/м.

5. Збільшення конструктивної маси фронтального подрібнювача, обладнаного колесами з гумовими шинами, є небажаним. Теоретичними дослідженнями встановлено, що при зростанні цього параметра на 25% підсилення подрібнювачем, як динамічною системою, вхідного збурення у вигляді коливань висоти нерівностей повздовжнього профілю поля в діапазоні частот 0,5..7,0 с-1 становить 13%.

6. Встановлено, що точки приєднання тяг переднього навісного механізму трактора до фронтального подрібнювача повинні знаходитися на такій висоті, щоб під час робочого руху подрібнювально-орного МТА кут нахилу нижніх тяг був би близьким до нуля, а центральної - становив 5о. Мінімальна висота приєднувального трикутника зчіпного пристрою подрібнювача повинна дорівнювати при цьому не менше 0,58 м.

7. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що хвостовик редуктора валу відбору потужності трактора повинен бути налагоджений на частоту обертання 1000 хв-1 замість 540 хв-1, що дозволяє вдвічі зменшити динамічне навантаження в приводі робочих органів фронтального подрібнювача.

8. Коливання борозни у горизонтальній площині відбуваються у значно вужчому діапазоні, ніж коливання глибини оранки. Основні спектри дисперсій цього параметру, а також курсового кута () і кута повороту керованих коліс () трактора ХТЗ-120 припадають на частоти 0...1,8 с-1 або 0...0,29 Гц. Максимальна значина взаємної кореляційної функції між коливаннями профілю поля та глибини оранки майже в три рази більша, ніж для процесу, який відображає взаємозв’язок коливань глибини оранки і тягового опору плуга.

9. Експлуатаційно-технологічні випробування показали, що використання