На правах рукописи
Николаев Владимир Анатольевич
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства
механизации сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание учной степени доктора технических наук
Ярославль 2011 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия».
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузьмин Мстислав Витальевич Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Халанский Валентин Михайлович доктор технических наук, профессор Шмонин Владимир Алексеевич
Ведущая организация – Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации, агрохимического и материально-технического обеспечения сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии).
Защита состоится 15 марта в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, зал заседаний ученого совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ Россельхозакадемии.
Автореферат разослан «_» 2011 года и размещн на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru. «»_2011 г.
Учный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук И.А. Пехальский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Почва является важнейшим объектом труда и средством производства. Затраты энергии на е обработку составляют значительную долю в общих затратах энергии на возделывание сельскохозяйственных культур. Предпринимаемые попытки уменьшения затрат энергии на обработку почвы существующими техническими средствами при сохранении или улучшении качества обработки почвы пока не дают желаемых результатов. Они преимущественно направлены на совершенствование отдельных элементов существующих почвообрабатывающих орудий и машин, не изменяя основы конструкции. Поэтому создание энергосберегающих технических средств обработки почвы является важной научной и хозяйственной задачей.
Цель работы. Повышение эффективности обработки почвы путм создания энергосберегающих технических средств.
Объект исследований. Процесс обработки почвы, закономерности взаимодействия с почвой элементов рабочих органов технических средств.
Предмет исследований. Взаимосвязь конструктивных, кинематических, динамических и энергетических параметров элементов рабочих органов почвообрабатывающих технических средств.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе законов и методов классической механики и математического анализа. Основными примами исследования являлись графоаналитический способ и пространственное моделирование с использованием программ Excel и Компас-график.
Научная новизна:
- изучены особенности воздействия на почву пяти элементов затупившегося лезвия лемеха, исследован оборот пласта почвы с учтом его деформации, проведн анализ взаимодействия с почвой рабочих органов классического плуга во время вспашки, на основании чего выявлены направления и величины нерационального расходования энергии;
- установлены рациональные параметры плуга с уравновешенными корпусами, действующие на почву силы и затраты энергии при вспашке;
- получены графические и аналитические зависимости кинематических и динамических параметров поводков и рабочих органов ударного устройства орудия обработки почвы при их развртывании и в течение оборота вала, позволившие рассчитать силу удара рабочих органов о почву и энергию, необходимую для их привода;
- установлены закономерности изменения кинематических и динамических параметров активных и пассивных рабочих органов почвообрабатывающей машины от углов поворота роторов и связь между ними при заданных условиях обработки почвы, что позволило теоретически определить затраты энергии и мощность, необходимую для работы машины;
- определены технико-экономические показатели трхкорпусного плуга с уравновешенными корпусами при вспашке, теоретические расчты подтверждены результатами экспериментальных исследований плуга;
- обоснованы конструктивно-технологические схемы: плуга с уравновешенными корпусами (патент №2335107), комбинированного орудия обработки почвы и способа обработки почвы (патент №2340137), комбинированного почвообрабатывающего агрегата и способа его использования (патенты №2386235, №2369058), устройства для обработки почвы и способа обработки почвы (патент №2407259).
Практическая ценность:
серийное производство предлагаемых технических средств, основанных на новых принципах и компоновочных решениях, повысит конкурентоспособность отечественного сельскохозяйственного машиностроения;
- применение результатов исследований в сельском хозяйстве обеспечит сокращение совокупных денежных затрат на эксплуатацию почвообрабатывающих технических средств и повысит качество обработки почвы;
Земледельческая механика» для подготовки магистров и аспирантов.
Научные положения, выносимые на защиту. На защиту вынесены основные положения, характеризующие научную новизну и практическую ценность.
исследованное почвообрабатывающее техническое средство принято к использованию в ОАО «Михайловское» Ярославского района Ярославской области, а элементы конструкции – в ООО «Агропромтехснаб плюс».
Методика расчта параметров почвообрабатывающих машин внедрена в ЗАО «ПК «Ярославич» и в ФГУП ПКБ НИИСХ Северо-востока в г. Киров.
Материалы исследований использованы в учебной литературе и внедрены в учебный процесс в ФГОУ ВПО Ярославская ГСХА.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на конференциях: в Ярославской ГСХА (2005 – 2011 г.г.), в С-Петербургском ГАУ (2009 г. и 2010 г.), в Вятской ГСХА (2010 г. и 2011 г.), в Костромской ГСХА (2011г.) и в Московском ГАУ (2010 г.).
публикаций, в том числе 2 монографии и 19 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК. Общий объм публикаций составляет 40,75 печ. л., из них лично соискателю принадлежит 32,2 печ. л. По теме диссертации получены патентов на изобретения, из них 3 изобретения комплексных.
Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы, включающего наименований, из них 3 на иностранных языках, 24-х приложений. Общий объм диссертации составляет 474 страницы машинописного текста, который включает 13 таблиц и 187 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность работы и е практическая значимость.
эффективности обработки почвы, цель и задачи исследования»
обоснована необходимость, намечены пути повышения эффективности обработки почвы и поставлены задачи для решения проблемы.
В развитие теории обработки почвы большой вклад внесла Российская научная школа, учные которой проанализировали свойства почвы как объекта обработки, выявили основные закономерности воздействия рабочих органов технических средств на почву. Однако, в настоящее время обнаружилось несоответствие между теорией обработки почвы и е практической реализацией. Прогресс, достигнутый в последние годы в области совершенствования сельскохозяйственных машин и орудий, не всегда обусловлен опережающим развртыванием теории обработки почвы.
Несмотря на интенсивные исследования в сфере обработки почвы в России и за рубежом, не решена главная проблема: как по заданным физикомеханическим свойствам почвы рассчитать параметры технических средств.
При всм разнообразии применяемых способов обработки почвы, е структура после воздействия рабочих органов обычно не соответствует количественным показателем доли массы агрономически ценных почвенных отдельностей (агрегатов) в единице массы почвы:
где N – количество почвенных отдельностей (агрегатов) оптимального размера в единице массы почвы; – коэффициент, обусловленный формой, плотностью оптимальных почвенных отдельностей, плотностью укладки оптимальной почвенной отдельности и связывающий е средний размер и массу; d п о – средний размер почвенной отдельности.
структура почвы, при которой растения развиваются наилучшим образом.
При такой структуре почвы большая часть энергии солнца, усвоенная растениями, тратится на рост и развитие, а не на преодоление корнями почвообрабатывающими машинами и орудиями должно быть:
соответствовала бы этому требованию. Использование варианта (2) функции цели качества позволяет по известным характеристикам почвы определить эталонную удельную энергомкость обработки почвы uо э. При этом цель где ео – удельная энергия, использованная растениями, а uо – удельная энергомкость обработки почвы, приобретает вид:
В нашей стране виды почв и условия их обработки настолько разнообразные, что для осуществления энергосберегающей обработки нужны различные технические средства и их сочетания. Принятые направления разработок технических средств для решения проблемы энергосберегающей обработки почвы на рисунке 1.
Рисунок 1 – Направления разработок технических средств для решения проблемы энергосберегающей обработки почвы В соответствии с целью исследования и принятыми направлениями разработок технических средств сформулированы задачи:
- проанализировать взаимодействие с почвой элементов рабочих органов классического плуга, рассчитать кинематические, динамические и энергетические параметры взаимодействия при принятых условиях вспашки;
- обосновать конструктивно-технологическую схему энергосберегающего плуга и провести его теоретическое исследование;
- разработать конструкцию энергосберегающего орудия для обработки поверхностного слоя почвы, провести механико-математический анализ ударного воздействия его рабочих органов на почву и получить графические и аналитические зависимости для определения основных кинематических и динамических характеристик;
- обосновать конструкцию энергосберегающего агрегата для обработки пахотного горизонта за один проход, исследовать взаимодействие элементов его рабочих органов с почвой, установить закономерности изменения действующих сил и моментов, определить затраты энергии на обработку почвы;
испытания предлагаемого плуга и дать технико-экономическую оценку эффективности его использования.
Во втором разделе «Анализ взаимодействия элементов рабочих органов классического плуга с почвой» проанализирован рабочий процесс классического лемшного плуга.
Корпус плуга для анализа разделн на элементы, выполняющие разные функции: носок лемеха, верхняя фаска лезвия лемеха, верхняя часть кромки лезвия лемеха, средняя часть кромки лезвия лемеха, нижняя часть кромки с нижней фаской лезвия лемеха, грудь отвала, рабочая поверхность лемеха с отвалом, полевая доска. Работа каждого элемента рассмотрена отдельно, вычислены силы воздействия на почву и затраты энергии.
Носок лемеха осуществляет зажатое резание, а перемещение конца носка под действием силы Rн л подобно резанию пуансоном. На рисунке показано поперечно-вертикальное сечение пласта почвы на участке носка лемеха.
При продвижении в почве носок лемеха создат выше и ниже себя напряжения смятия см, обусловленные силами сцепления разделяемой почвы, суммой сил Gр о тяжести почвы над носком лемеха и Gм тяжести почвы, приподнимаемой в массиве, силой F j инерции, а также воздействием части силы Gпл тяжести плуга. Носок лемеха приподнимает как часть отрезаемого пласта, так и часть массива почвы через сцепление частиц почвы между собой. В результате подъма в почве по краям щели возникают напряжения растяжения р, а в поднимаемом массиве почвы создаются напряжения сдвига сд. Над полевым обрезом лемеха также возникает напряжение растяжения и касательные напряжения среза ср. Таким образом, почва, расположенная вблизи носка и полевого обреза лемеха, находится в сложном напряжнном состоянии. Вычислив нормальные силы, определим силу Fтр н л трения между носком лемеха и почвой. Силы реакции режущей части носка Rн, трения е нижней кромки Fтр кр и нижней фаски Fтр н ф определим после рассмотрения работы элементов лезвия лемеха.
Затраты энергии, необходимой для резания почвы носком и полевым обрезом лемеха при вспашке одного кубического метра почвы, складываются из энергии u н л на внедрение носка лемеха в почву, энергии uотд на отделение носком лемеха части пласта и массива почвы снизу, энергии u п п на подъм отделнной снизу части пласта, энергии uм на подъм части массива почвы, энергии u j на преодоление сил инерции отделнной снизу части пласта и массива почвы, энергии u на деформирование части массива почвы, энергии uа на разрушение поверхностных армированных слов почвы, энергии uтр на преодоление трения между почвой и носком лемеха.
Рассмотрим продольно-вертикальное сечение подрезаемой лемехом почвы (рисунок 3), определим действующие силы и работу верхней фаски лемеха: – проекция переднего угла лемеха на продольно-вертикальную плоскость, с-п – проекция угла трения между сталью и почвой на продольновертикальную плоскость, п-п – угол трения почвы о почву. Пользуясь относительностью движения, представим, что не лемех врезается в массив почвы, а массив почвы под действием распределнной нагрузки q надвигается на неподвижный лемех.
Рисунок 3 – Отделение пласта от массива почвы при воздействии верхней фаски лезвия лемеха Для расчта заменим распределнную нагрузку сосредоточенной силой Q.
Кроме силы Q на рассматриваемый участок почвы действуют:
- G – сила тяжести почвы, расположенной в пределах участка;
- p j в – вертикальная распределнная нагрузка от силы инерции пласта;
- qпл – распределнная нагрузка, воздействующая на рассматриваемый участок пласта почвы со стороны остальной части пласта, скользящей по поверхности лемеха и отвала;
- Fтр пл – сила трения пласта по поверхности лемеха и отвала;
- Fсц – сила сцепления частиц в момент отрыва пласта от массива;
- N – проекция нормальной реакции верхней фаски лемеха на продольно-вертикальную плоскость;
- Fтр – сила трения пласта о верхнюю фаску.
Сила тяжести почвы где – плотность почвы; lлез – длина лезвия без учта носка лемеха; а – глубина вспашки; b – ширина захвата лемеха без учта носка; – угол установки лезвия лемеха к стенке борозды; lотд – длина щели в почве.
Заменим вертикальную распределнную нагрузку от силы инерции пласта сосредоточенной нагрузкой Fj в :
где tотд – время перемещения кромки лезвия на расстояние lотд ; hп – высота подъма пласта до касания с верхней фаской лезвия лемеха.
Распределнную нагрузку, воздействующую на рассматриваемый участок пласта почвы со стороны остальной части пласта, заменим сосредоточенной силой Qпл. Для расчта силы Т сложим векторы сил Qпл и Fтр пл. Определив N и сложив е с Fтр, получим реакцию R фаски лезвия на воздействие почвы в проекции на продольно-вертикальную плоскость. Затем определим фактическую силу Qф, точку е приложения, построим эпюру qф.
На рисунке 4 показаны силы, действующие на частицу почвы, которую лезвие при свом движении защемляет между верхней частью кромки лезвия и отделнным пластом, сп.
На частицу действуют:
- сила тяжести G, которую приложим к центру масс частицы;
- нормальная реакция пласта почвы N ;
- сила Fтр п-п трения между пластом почвы и частицей, сложив которую с нормальной реакцией, получим реакцию пласта Rпл ;
- нормальная сила Fл воздействия лезвия;
- сила Fтр с-п трения между кромкой лезвия и почвой, сложив которую с Fл, получим силу F воздействия кромки лезвия.
Рассмотрим воздействие частицы, находящейся на уровне середины кромки лезвия, в пределах сектора с-п, на кромку лезвия (рисунок 5).
При торможении лезвием на частицу почвы действует сила инерции F j.
Силу трения Fтр с-п приложим к точке касания частицей кромки лезвия.
препятствует передвижению агрегата. Разложим силу инерции частицы почвы на составляющие. Сила F j cos будет стремиться сдвинуть частицу вдоль лезвия. Вычтем из нее силу трения. Сложив полученную разность сил с силой F j sin, получим результирующую силу воздействия частицы почвы на кромку лезвия R. Расчт показал, что затраты энергии на преодоление сопротивления частиц почвы, которых лезвие при свом движении защемляет между верхней частью кромки лезвия и отделнным пластом почвы, а также частиц, центр масс которых расположен на уровне центра кромки лезвия, в сравнении с другими затратами энергии незначительны.
Рассмотрим передвижение и деформацию частицы почвы, центр масс которой оказался ниже сектора кромки лезвия лемеха, ограниченного углами трения с-п (рисунок 6).
Рисунок 6 – Силы, действующие на частицу, центр масс которой находится ниже сектора с-п кромки лезвия, с-п Силу тяжести G приложим к центру масс частицы. Е уравновешивает реакция массива почвы N. Перенесм составляющую силы тяги трактора Fx в точку касания частицы с лезвием. На этой силе, как на стороне, построим прямоугольник сил. Сложив силу Fx cos с силой Fтр с-п трения частицы о кромку лезвия, получим силу F воздействия нижней кромки лезвия на частицу. Суммарная реакция почвы на частицу R F. Перенесм е на рисунок 7 и рассмотрим воздействие на лезвие частиц, защемляемых между его нижней кромкой с нижней фаской и нижерасположенными слоями почвы.
qнкл Горизонтальная сила, сопротивление которой преодолевает лезвие, равна сумме силы Fтр н ф трения нижней фаски, горизонтальной проекции силы Fтр кр трения нижней кромки и горизонтальной проекции силы Rл.
отклоннной от нормали к поверхности отвала на угол трения почвы о сталь, проекция которого на горизонтальную плоскость с-п.
Рисунок 8 – Схема сил воздействия на почву груди отвала Сила Rсд уплотняет почву, а в момент сдвига достигает максимума, деформируя пласт почвы и смещая его в сторону:
где Sсд – площадь сдвига; Gсм – масса почвы, вовлечнная в смещение. При е воздействии в почве появляется шаровая составляющая тензора напряжений.
Почва разрушается на фрагменты самым энергозатратным способом объмного сжатия (рисунок 9).
Затраты энергии на воздействие груди отвала плуга складываются из энергии uу п на упругое сжатие пласта и энергии uсд+см на пластическую деформацию сдвига и смещение почвы в сторону.
На рисунке 10 предложена схема оборота пласта почвы с учетом происходящих в нем пластических деформаций.
На рисунке 11 показаны распределнные нагрузки, воздействующие на частицы средней линии пласта почвы при его обороте.
реакцию Rд б дна борозды, реакцию Rп предыдущего пласта в конце оборота, силу Fj торм инерции пласта. Кроме них действует сила Fтр пл трения почвы о поверхность лемеха и отвала. В результате анализа динамики оборота выявим силу Rо воздействия на почву рабочей поверхности лемеха и отвала.
Общие затраты энергии на оборот одного кубического метра почвы складываются из энергии на оборот пласта u об, на его ускорение uуск, на преодоление силы трения пласта почвы о поверхность лемеха и отвала uтр и плоскость векторов всех сил, воздействующих на почву при е вспашке корпусом плуга (рисунок 12).
Путм сложения векторов сил, параллельных осям, определяем величины и координаты точек приложения равнодействующих Fx и Fy, а из других проекций – Fz. Сложив затраты энергии для выполнения работ перемещения корпуса плуга (таблица).
Таблица – Структура затрат энергии, необходимой для перемещения корпуса классического плуга при вспашке одного кубического метра тяжлых суглинков со скоростью 2 м/с Наименование элемента Энергия, Дж Мощность, кВт Доля затрат лемеха лемеха (без носка) лемеха и отвала уравновешенными корпусами» рассмотрена конструкция и исследована работа предлагаемого плуга.
Расход энергии на вспашку можно существенно уменьшить, если усовершенствовать конструкцию плуга так, чтобы силы в значительной степени были замкнуты внутри корпусов, а моменты уравновешены в горизонтальной плоскости – левыми лемехами, а в вертикальной – ножами (рисунок 13). В предлагаемой конструкции лемех и отвал присоединены к поводку, поводок – через вертикальный шарнир к грядилю, а грядиль – через горизонтальные шарниры к навесному устройству. Грядили опираются на башмаки, а регулируемое амортизационное устройство позволяет создать на них минимально необходимое для устойчивости хода вертикальное давление.
Анализ работы правого лемеха и отвала плуга с уравновешенными корпусами показал, что в результате предварительного подрезания пласта левым лемехом предыдущего корпуса и отрезания его сбоку ножом уменьшились напряжения в почве, а, следовательно, сопротивление соответствующее наименьшему сопротивлению.
«