«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КУЛЬТИВАТОРНОГО АГРЕГАТА С ТРАКТОРОМ КЛАССА 0,6 ПРИМЕНЕНИЕМ АКТИВНЫХ КОЛЕС-РЫХЛИТЕЛЕЙ ...»

из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Ко5елев, Александр Вячеславович

1. Повышение эффективности культиваторного

агрегата с трактором класса О,6 применением

активный колес—рыклumeлей

1.1. Российская государственная Библиотека

diss.rsl.ru

2003

Ко5елев, Александр Вячеславович

Повышение эффективности культиваторного

агрегата с трактором класса О,6 применением

активный колес-рыклителеи [Электронный ресурс]: Дис.... канд. теки. наук

:

05.20.01.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Сельское козяйство — Меканизация и электрификация сельского козяйства — Тракторы, сельскокозяйственные машины и орудия — Почвоо5ра5атываю1цие машины и орудия — Культиваторы — Колесные движители. Текнологии и средства механизации сельского хозяйства Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/03/1014/031014041.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, накодятцемуся в фонде РГБ:

КоБелев, Александр Вячеславович Повышение эффективности культиваторного агрегата с трактором класса О,6 применением активный колес—рыклumeлей Самара Российская государственная Библиотека, год (электронный текст).

Ф1 ОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописи

Кобелсв Александр Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КУЛЬТИВАТОРНОГО

АГРЕГАТА С ТРАКТОРОМ КЛАССА 0,6 ПРИМЕНЕНИЕМ

АКТИВНЫХ КОЛЕС-РЫХЛИТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.01-технологии и средства механизации сельского хозяйства Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель K.T.H., доцент Мусин P.M.

Самара -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ

1.1. Пути повышения производительности тяговых машинно-тракторных 1.2. Повышение тягово-сцепных качеств тракторов 1.3. Вовлечение прицепных машин в процесс создания силы тяги 1.4. Анализ конструкций отечественных и зарубежных машин

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ АКТИВНОГО КОЛЕСА-РЫХЛИТЕЛЯ

2.2. Определение геометрических параметров профиля кулачка в активном 2.4. Анализ движения активного колеса-рыхлителя

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

3.5. Методика обработки экспериментальных данных

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

4.2. Влияние выбранных факторов на удельные затраты мощности 4.3. Влияние факторов на формирование движущей силы 4.4. Зависимость энергетических показателей и движущей силы от 4.5. Зависимость энергетических и силовых показателей активного колесарыхлителя от угла установки кулачка 4.6. Зависимость энергетических и силовых показателей активного колесарыхлителя от тягового сопротивления 4.7. Влияние глубины обработки и режима работы (скорости движения) активных колес-рыхлителей на энергетические параметры 4.8. Влияние крюкового усилия на тяговые и топливно-экономические 4.9. Сравнительная оценка работы культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями и навесного культиватора-окучника КОН-2,8Б.. 4.10. Результаты сравнительных испытаний агрегатов 4.11. Сравнительная афотехническая оценка качества работы 4.12. Производственные испытания культиваторного афегата с активными 4.13. Выводы по результатам экспериментов и их анализу

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Развитие сельскохозяйственного производства неразрывно связано с увеличением энергонасьиценности производства. Выполнение техноло­ гических процессов сельскохозяйственного производства в основном осупгествляется перемещением сельскохозяйственных машин по полю по­ средством тягача или движителей, которыми снабжается мобильная маши­ на (комбайны, тракторы, автомобили и т.д.). В основу положен принцип тяги: трактор - сельскохозяйственгюе орудие (плуг, культиватор и т.д.).

Энергия двигателя передается движителям, посредствам которых осущест­ вляется передвижение мобильной машины по почве. Поэтому для выпол­ нения тягового мобильного технологического процесса необходимо нали­ чие определенных соотношений между мощностью двигателя, массой и скоростью движения. Нарушение этих соотношений приводит к значи­ тельному недоиспользованию мощности двигателя при недостаточной массе трактора или излишней его массе при офаниченных возможностях двигателя.

Повышение производительности афегатов при классическом спо­ собе передачи энергии «ведущие колеса трактора - почва» возможно толь­ ко за счет увеличения скорости движения, которая должна обеспечиваться соответствующим ростом мощности двигателя при сохранении массы трактора. Однако при увеличении скорости движения сопротивление почвы почвообрабатывающим орудиям возрастает не пропорционалыю этой скорости, а быстрее. При расчетной номинальной скорости движения сопротивление почвообрабатывающих орудий оказывается больше номи­ нальной силы тяги трактора, вследствие чего увеличивается буксование ведущих колес, снижается рентабельность работ.

Существует множество способов снижения тягового сопротивления орудий, которые можно подразделить на три фуппы:

Первая фуппа - усовершенствование пассивных рабочих органов (покрытие поверхности отвала полимерами, вибрация корпуса, замена крыла отвала роликом или сферическим диском и т.п.).

Вторая фуппа - установка дополнительных активных роторов (вер­ тикальный ротор вместо крыла отвала, фрезерная секция вместо пред­ плужника и т.п.). Другими словами, вторая группа характеризуется созда­ нием комбинированных рабочих органов.

Третья группа характеризуется созданием орудий с активными ра­ бочими органами, а также маншны с рабочими органами - движителями.

Технологическое сопротивление движению рабочих органовдвижителей способствует снижению суммарного тягового сопротивления почвообрабатывающей машины. Следует отметить, что энергонасыщен­ ный трактор в агрегате с рабочими органами-движителями не будет иметь ограничений по сцепление движителей с почвой. Горизонтальная состав­ лявшая реакции почвы будет направлена на улучшение тяговых скоростей тракторов, особенно колесных. Это создает условия и рационального ис­ пользования мопщости двигателя и способствует увеличение производи­ тельности машинного агрегата. При этом рост производительности может осуществляться за счет повышения рабочих скоростей и увеличения ши­ рины захвата почвообрабатывающих агрегатов.

Анализ различных конструкций орудий с рабочими органамидвижителями показал, что наиболее эффективным применением органовдвижителей является использование их вместо опорных колес почвообра­ батывающих агрегатов.

Актуальность темы. Использование активных колес-рыхлителей вместо опорных колес почвообрабатывающих машин, особенно в составе энергонасыщенных тракторов, открывает широкие перспективы по совме­ щению технологических операций по обработке почвы, снижению буксо­ вания колее, повышению производительности, уменьшению погектарного расхода топлива, открывает возможность полной зафузки двигателя и дальнейшего энергонасыщения тракторов. В связи с этим разработка культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями, обоснование его параметров и режимов работы является актуальной задачей. Актушн,ность данной работы подтверждается также тем, что она выполнялась в соответствии с темой НИР Самарской ГСХА «Разработать и внедрить усоверн1енствованные технологические процессы, новые усовершенствован­ ные движители, обеспечивающие допустимое воздействие на почву» на 1998... 2005 г. (ГР № 01.980001758) и сводным планом НИР Самарской ГСХА.

Цель работы. Повышение эффективности культиваторного агрега­ та с трактором класса 0,6 применением активных колес-рыхлителей.

Объект исследования - технологический процесс работы культи­ ваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями.

Предмет исследования - культиваторный афегат в составе трак­ тора Т-25А и культиватора-окучника КОН-2,8Б Научная новизна. Научная новизна работы состоит в разработке аналитических зависимостей и фафических методов определения геомет­ рических и кинематических параметров активного колеса-рыхлителя; по­ казателей оценки работы культиваторного афегата с активными колесамирыхлителями и эффективности применения активных колес-рыхлителей СХМ; аналитических зависимостей влияния кинематических, силовых и мощностных параметров культиваторного афегата с активными колесамирыхлителями на его технико-экономические показатели.

Практическая значимость работы. Использование разработанно­ го культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями вместо серийного культиваторного афегата, за счет повышения качества процесса окучивания и снижения технологического сопротивления, позволило по­ высить его производительность на 0,4 га/ч и уменьшить погектарный рас­ ход топлива на 0,8 кг/ч.

Достоверность результатов. Достоверность результатов подтвер­ ждается с помощью современного оборудования, приборов и контрольноизмерительной аппаратурой, планированием многофакторного экспери­ мента с обработкой экспериментальных данных на ПЭВМ, Контрольноизмерительные приборы прошли проверку и тарировку, что позволило обеспечить требуемую погрешность измерений изучаемых параметров.

Использование результатов исследований подтверждено актами о внедре­ нии.

Реализация результатов исследований. Разработанный культиваторный агрегат с активными колесами-рыхлителями прошел опытно про­ изводственную проверку в условиях сельскохозяйствен1Юго производст­ венного кооператива «Прогресс» и закрытого акционерного общества «Смышляевский» Волжского района Самарской области (см, приложения 17, 18).

Апробация работы и публикации. Основные положения и резуль­ таты работы были доложены, обсуждены и одобрены на Поволжской меж­ вузовской конференции «Актуальные агроинженерные проблемы АПК»

Самарской ГСХА (2001 г.). Межгосударственном научно - техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутрен­ него сгорания в АПК СНГ» Саратовского ГАУ имени И, И. Вавилова ( г,), Поволжской межвузовской конференции «Совершенствование машиноиспользования и технологических процессов в АПК» Самарской ГСХА (2002 г,), научно - практической конференции, посвященной 50 - летию инженерного факультета Пензенской ГСХА «Проблемы развития ма­ шинных технологий и технических средств производства сельскохозяйст­ венной продукции» (2002 г,), итоговой выставке Самарского областного ежегодного конкурса «ЭкоЛидер - 2002» (2003 г,).

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 науч­ ных статей, в том числе 1 научная статья без соавторов, и получено поло­ жительное решение о выдачи патента на изобретение.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- технологическая схема культиваторного агрегата с активными ко­ лесами-рыхлителями;

- теоретическое обоснование конструктивных и рабочих параметров активного колеса-рыхлителя;

- процесс работы культиваторного агрегата с активными колесамирыхлителями;

- результаты экспериментальных исследований по повышению эф­ фективности культиваторного афегата с трактором класса 0,6 применени­ ем активных колес-рыхлителей.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ

СВОЙСТВ т я г о в ы х МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ 1.1. Пути повышения производительности тяговых машиннотракторных агрегатов (МТА) Важнейшей задачей научно-технического професса в области ис­ пользования сельскохозяйственной техники является повышение произво­ дительности машинно-тракторных агрегатов. Производительность МТА принято выражать величиной обработанной площади в единицу времени:

где с - коэффициент размерности; В^- рабочая ширина захвата агрегата, м; V^- рабочая скорость движения агрегата, км/ч; г- коэффициент исполь­ зования времени, или где N^ -эффективная мощность двигателя, кВт; //А • тяговый КПД тракто­ ра; к^- коэффициент удельного сопротивления сельхозмашины, кН/м.

Нужно заметить, что влияние коэффициента использования време­ ни велико, зависит от многих факторов, поэтому при его определении воз­ никает ряд трудностей. В связи с этим в дальнейшем будем использовать понятие "технической производительности", то есть производительности в единицу чистого времени [90, 106, 195, 194, 196]. С учетом выше изложен­ ного, часовая техническая производительность МТА может быть выражена где yV^^,.-тяговая мощность трактора, кВт.

Удельная производительность агрегата, техническая производи­ тельность, отнесенная к единице массы тягового средства, определяется где т,- масса тягового средства, т; Э- энергонасыщенность тягового средства.

Энергонасыщенность тягового средства определяется по формуле Анализ уравнений (1.3) и (1.4) показывает, что для увеличения про­ изводительности МТА необходимо либо увеличить тяговую мощность аг­ регата, либо уменьшить удельное тяговое сопротивление агрегатируемой сельхозмашины, либо делать все это одновременно (см. рис. 1.1). В реаль­ ной эксплуатации машинно-тракторных агрегатов, удельное тяговое со­ противление сельхозмашины изменяется в сравнительно малом диапазоне, поэтому повышение производительности МТА в несколько раз возможно только за счет увеличения тяговой мощности [103]. Численное значение rj, не может быть больше единицы, поэтому за счет его повышения увеличить тяговую мощность МТА в целое число раз невозможно. Увеличение же мощности двигателя трактора теоретически беспредельно, а практически может быть увеличено в несколько раз [103]. Поэтому одной из тенденций развития сельскохозяйственного тракторостроения является непрерывное повышение мощности двигателя, без значительного увеличения массы трактора - повышение энергонасыщенности трактора. При этом расчет де­ лается на то, что соответственно должна повыситься и скорость движения МТА. Однако этого не происходит. Так, увеличение рабочей скорости ма­ шинно-тракторного афегата, путем увеличения энергонасыщенности трактора, приводит к снижению максимального значения КПД ходовой систе­ мы трактора с одновременным снижением оптимального значения тягово­ го усилия. Например, для трактора типа МТЗ при увеличении мощности двигателя с 27 до 80 кВт, в случае использования ее только через тяговую мощность, максимальное значение КПД ходовой системы уменьшается до 20%, а оптимальное тяговое усилие - до 40% при работе на афофоне стерня. Это является одной из причин снижения темпа увеличения произ­ водительности МТА по отноп1ению к темпу увеличения мощности его двигателя с одновременным увеличением энергозатрат на единицу обрабо­ танной площади поля [103, 105, 107]. При замене тракторов ДТ-54 на трак­ торы ДТ-75 мощность двигателя увеличилась на 36%, а производитель­ ность только на 13%. При обработке почвы плоскорезами в зоне Казахста­ на тракторами Т-150, Т-150М, Т-150К и Т-150КМ, при увеличении мощно­ сти двигателя трактора Т-150М по отношению к трактору Т-150 на 26,5%, производительность возросла на 19%, для тракторов Т-150К и Т-150КМ соответственно - на 27 и 24% [ 103, 152, 161].

У афегатов с тракторами МТЗ-80 в сравнении с тракторами МТЗ- на выполнении большинства работ повышение производительности полу­ чено всего на 4...5%, а с тракторами Т-150К в сравнении с Т-74 - только на 25...35% против ожидаемых 70...80%. Другой пример. Несмотря на то, что мощность тракторов Т-150К и К-701 в сравнении с трактором Т-74 повы­ силась соответственно в 2,2 и 4 раза, их удельная производительность на единицу мощности не возросла, а снизилась соответственно на 15 и 25 % при одновременном увеличении погектарного расхода топлива на 10... %. Это свидетельствует о существенном недоиспользовании потенциаль­ ных возможностей энергонасыщенной техники и возникших объективных противоречиях в согласованности параметров тракторов и афсгатируемых с ними машин обычного типа [147].

Добавим, ухудшение эффективности использования МТА объясня­ ется еще и непрерывными колебаниями тягового сопротивления сельскохозяйственной машины, приводяищми к колебаниям режима зафузки установленного на тракторе двигателя. Колебания зафузки двигателя при­ водят к изменению процессов в системе автоматического регулирования подачи топлива и воздуха, вызывая ухудшение процесса сгорания 149. С ростом поступательной скорости движения афегата происходит увеличе­ ние коэффициента удельного сопротивления сельскохозяйственной машины[90, 103], что неизбежно вызывает увеличение колебаний зафузки дви­ гателя. Доказано, что снижение мощности двигателя тем больше, чем больше динамичность изменения момента сопротивления на валу двигате­ ля, при этом снижение может достигать 20...30% от номинальной мощно­ сти двигателя [103, 150].

Кроме того, рост энергонасыщенности тракторов привел к значи­ тельному недоиспользованию мопшости их двигателей. Статистические исследования показателей использования тракторов в сельском хозяйстве свидетельствуют о том, что средняя зафузка по мощности двигателей энергонасьнценных тракторов составляет 50...65% [200]. Недоиспользова­ ние мощности приводит к соответствующему снижению реальной произ­ водительности машинно-тракторного афегата, увеличению удельного рас­ хода топлива и удельной материалоемкости афегатов, ухудшению их эко­ номической эффективности (рис. 1.2, 1.3) [19, 103, 102, 147, 153].

Таким образом, рост энергонасыщенности тракторов сельско­ хозяйственного назначения в значительной мере превосходит рост произ­ водительности составленных на их базе афегатов, вследствие непропор­ ционального роста рабочей скорости и увеличения динамических нафузок.

В то же время тяговые свойства тракторов в каждом тяговом классе при пов1>1шении энергонасьнценности остается практически неизменными. В результате появляется «избыточная» мощность двигателя, которая не мо­ жет быть использована ни для повышения скорости, ни для увеличения ишрины захвата и грузоподъемности существующих афегатов. Второй ведущей тенденцией научно-технического професса в области Техническая производительность МТА Увеличение скорости движения МТА Увеличение тяговой Снижение технологического Увеличение тяговой Использование мощности трактора ВОМ трактора Улучшение тяговосцепных свойств движителя трактора Увеличение мощности Увеличение массы трактора Рис. 1.1. Пути повышения технической производительности машипно-1ракторных афегатов (принятые сокращения:

МТА - ма1иинно-тракторный агрегат; СХМ - сельскохозяйственная Рис. 1.2. Зависимость удельной производительности от мощности двигателя колесного трактора 4К4: технологическая операция - посев [153] Рис. 1.3. Зависимость тягового КПД от энергонасыщенности 1- стерня; 2 - поле, подготовленное под посев [19] сельскохозяйственного тракторостроения является освоение новых, более высоких, тяговых классов тракторов, которое сопровождается увеличени­ ем массы трактора наряду с увеличением мощности двигателя.

Однако рост единичрюй массы тракторов влечет за собой усиление вредных воздействий их ходовых систем на почву, приводит к переуплот­ нению и разрушению ее, сопровождается повышением стоимости машиню-тракторных работ. Исследования показывают, что рост массы тракторов опережает увеличение производительности машинно-тракторных агрега­ тов. В результате этого происходит повышение удельных приведенных за­ трат на приобретение и эксплуатацию тракторов, имеющих увеличенную массу и, как правило, большую стоимость, и афегатируемых с ними сель­ хозмашин [200].

Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что реализация мощ­ ности двигателя трактора может быть, осуществлена по двум основным направлениям:

- повышение тягово-сцепных качеств трактора;

- вовлечение прицепных машин в процесс создания силы тяги машин­ но-тракторного афегата через ВОМ трактора.

1.2. Повышение тягово-сцепных качеств тракторов Повышению тягово-сцепных качеств колесных машин посвящены работы Чудакова Е.А., Чудакова Д.А., Гуськова В.В., Лефзрова А.Х., Скойбеды А.Т., Харитончика Е.М., Смирнова Г.А., Аксенова П.В., Плато­ нова В.Ф. и многих других [16, 35, 59, 60, 61, 146, 169, 173, 174, 188, 197, 198]. В результате исследований установлено, что наиболее простым спо­ собом увеличения тягово-сцепных качеств тракторов является увеличение их массы. При этом предельная мопшость двигателя, реализуемая по сцеп­ лению движителя с почвой, может быть определена [83]:

где G„.- вес трактора, Н; //- максимальный коэффициент сцепления дви­ жителя с почвой; Я- коэффициент использования сцепного веса;/ - коэф­ фициент сопротивления самопередвижению; У,,- наибольшая рабочая ско­ рость, соответствующая номинальному тяговому усилию, км/ч.

Однако увеличение массы сельскохозяйственных тракторов, как было отмечено ранее, не всегда оправдано, вследствие переуплотнения почвы и снижения урожайрюсти сельскохозяйственных культур [97]. Так в работе [19] определено, что тягово-сцепные качества современных отече­ ственных тракторов позволяют реализовать мощность двигателя через крюк при уровне энергонасыщенности, равной 17,5... 18,7 кВт/т у колесных тракторов и около 19,2 кВт/ту гусеничных тракторов.

Эффективным способом повышения тягово-сцепных качеств трак­ торов является увеличение сцепления движителя с почвой. На практике часто пользуются дополнительными устройствами, устанавливаемыми на тракторные движители, например, полугусеничный ход, съемные цепи противоскольжения и т.п., достаточно широко применяется спаривание колес, изменение давления воздуха в шинах, осуществляется подбор шин с заданными параметрами и характеристиками [17, 3,8].

Так тракторы семейства МТЗ имеют ряд устройств, предназна­ ченных для улучшения их тягово-сцепных качеств: привод переднего мос­ та, устройство блокировки межколесного дифференциала ведущего моста, гидроувеличитель сцепного веса, силовое и позиционное регулирование положения навесного орудия и др.

Опыт использования колесных тракторов показывает, что полно­ приводная схема бывает более предпочтительной при использовании трак­ тора как тягового средства. В частности на Парижской выставке сельскохозяйственьюй техники " SIMA-84" привод переднего моста, колесную формулу 4К4, имели все тракторы мощностью свыше 73,5 кВт. Все шире применяется привод переднего моста и для тракторов мощностью порядка 30 кВт. Предполагается, что на всех перспективных моделях колесных тракторов будет использована колесная формула 4К4 [2, 4, 10].

Трудности реализации мощности двигателя в тяговую мощность трактора приводят к необходимости использования бортовых микро-ЭВМ в процессе управления устройствами, предназначенными улучшать тяговосцепные показатели тракторов [182].

От1Юсительно целесообразности широкого внедрения бортовых микро-ЭВМ в ближайшие годы еще нет единого мнения, так как их стои­ мость составляет до 15% стоимости трактора [6]. Однако, фирмы Renault Франция, Steur Австрия, Massey-Ferguson Канада, Case США, Steiger США и ряд других уже в настоящее время выпускают отдельные модели тракторов с бортовыми микро-ЭВМ, и не вызывает сомнений, что ко­ лесный трактор 2000 года будет иметь бортовую микро-ЭВМ в качестве штатного оборудования [9].

Перспективы широкого внедрения систем автоматизированного управления различными устройствами, предназначенными для улучшения тягово-сцепиых показателей колесных тракторов, представлены на рис. 1. [92]. Под широким внедрением указанных систем подразумевается не серийный выпуск отдельных моделей тракторов с этими системами, а их массовое применение на большинстве находящихся в эксплуатации ма­ шин.

Достаточно простым способом повышения тягово-сцепных качеств тяговых средств является использование сочлененных тракторов [81, 89].

При этом используется несколько наиболее распространенных схем афегатирования: шарнирное сочленение трактов по типу "тандем" (рис. 1.5 а);

жесткое сочленение тракторов по типу "тандем" (рис. 1.5 б); шарнирное сочленение тракторов по типу "катамаран" (рис. 1.5 в); жесткое сочленение тракторов по типу "катамаран" (рис. 1.5 г). Рассмотрим перечисленные схемы афегатирования:

- шарнирное сочленение тракторов по типу "тандем" отличается простотой и позволяет повысить производительность полученного тягово­ го средства почти в 2 раза. Однако наличие гибкой связи между сочленен­ ными тракторами накладывает повышенные требования на управление ими, поэтому такая схема афегатирования находит весьма офаниченное применение;

- жесткое сочленение по типу "тандем" является продолжением рас­ смотренной выше схемы афегатирования, которое было реализовано НПО "Целинсельхозмеханизация" (г. Кустанай) для тракторов ДТ-175С [89].

Повышение производительности трактора-тандема ВТ-400 за час основно­ го времени с трактором ДТ-175С составило на вспашке 84...98 %, на культивации 106...112 %. Кроме того, данная схема афегатирования имеет больншй момент сопротивления неуправляемому повороту, следовательно, обладает большей степенью практической устойчивости прямолинейного движения по сравнению со схемой афегатирования рассмотренной ранее.

Однако увеличение минимального радиуса поворота, вследствие увеличе­ ния продольной базы афегата, делает ее офаниченно применимой на по­ лях со сложной конфигурацией и малой площади;

- шарнирное соединение тракторов по типу "катамаран" приме­ няется крайне редко, причем на операциях, не требующих большой точно­ сти вождения. Например, сволакивание соломы, проведение снегозадержа­ ния и т.п.;

- жесткое соединение тракторов по типу "катамаран" реализовано УНИИМЭСХ совместно с ГСКБ по энергонасыщенным пахотным тракто­ рам (г. Харьков) на базе тракторов Т-150 [89]. Хотя данная схема афегати­ рования и обладает уменьшенным минимальным радиусом поворота, по сравнению со схемой "тандем", но требует достаточно сложной системы сочленения тракторов и управления афегатом.

Нужно отметить, что хотя в сельском хозяйстве и накоплен опыт Внедрение систем диагностики и предупреждающих систем на Автоматизированное управле­ ние трансмиссией: блокировка Переход к автоматизиро­ дифференциалов, привод пе­ ванному сельскохозяйст­ Автоматическое регулирова­ ние давления воздуха в шинах Электронное силовое и позици­ Применение дистан­ онное регулирование положения ционного управления почвообрабатывающих орудий тракторами-роботами Рис. 1.4. Внедрение систем автоматизированного управления уст­ ройствами, повышающими тягово-сцепные качества тракторов [92] привод рабочих органов-движителей управления сочлененными тракторами одним механизатором, известно, что производительность таких агрегатов на 20...25 % меньше, чем двух аг­ регатов, управляемых двумя трактористами.

Причина в том, что возрастает вероятность отказов и простоя афегата [81]. Нет нужды говорить о том, что управление такими тяговыми средствами предполагает и1ирокое использование мили- и микро-ЭВМ, что также требует дополнительных капитальных вложений. Поэтому наиболее реальным способом афегатирования остается моноафегат, где работа всех систем и механизмов находится под наблюдением механизатораоператора.

С учетом этих требований в ВИМ создано мобильное энергети­ ческое средство (МЭС) с моншостью двигателя 184 кВт, представляющее собой трехосное тяговое средство, выполненное на базе узлов и афегатов трактора Т-150К, рама которого была жесткой и не имела шарнирного соединения [81, 160]. Управление МЭС осуществлялось поворотом передних и задних колес (рис. 1.5 д). К недостаткам составленного на базе МЭС афегата можно отнести то, что МЭС имеет жесткую конструкцию, что значительно офаничивает его универсальность.

Свободным от названного недостатка можно считать конструк­ ционное исполнение тяговых средств с приставными ведущими мостами (рис. 1.5 е), проходившими испытания как в нашей стране, так и за рубе­ жом [35]. Так трактор-макет МТЗ-52 с приставным ведущим мостом, имеющим привод от синхронного ВОМ трактора, развил на стерне номи­ нальное тяговое усилие до 34 кН, на поле, подготовленном под посев - до 27 кН, в то время как тяговое усилие трактора МТЗ-52, при работе на тех же афофонах, составило соответственно - 21,5 и 16,5 кН [35]. Вместе с тем необходимо отметить, что применение приставных ведущих мостов требу­ ет их большого разнообразия, вследствие уникальности различных марок использующихся тракторов.

Перспективным направлением, в этом отношении, является применемие приставных технологических модулей с ведущими колесами приво­ димыми от ВОМ трактора. Эти модули могут быть как в прицепном, так и в навесном вариантах (рис. 1.5 ж, з). ВИСХОМом, ВНИИС, УкрНИИСХОМом и ГСКБ по машинам для овощеводства разработаны и изготовле­ ны экспериментальные образцы универсальных технологических модулей для возделывания сахарной свеклы, уборки капусты и моркови. Практиче­ ское их применение прогнозируется к 1995...2000 гг. [147].

В результате, применение приставных активных технологических модулей позволяет избежать применения тракторов тяжелых тяговых клас­ сов и снизить нормальные и тангенциальные нафузки, передаваемые коле­ сами одного моста. Однако применение активных технологических моду­ лей также не решает проблемы маневренности составленных афсгатов, вследствие увеличения их продольной базы, требует дополнительных ка­ питаловложений на создание и эксплуатацию самого модуля.

Вместе с тем, современные и перспективные сельскохозяйственные машины имеют сложное устройство и, в ряде случаев, большую массу, со­ поставимую с массой трактора, которую также можно использовать в ка­ честве сцепной для создания силы тяги [81, 83].

1.3. Вовлечение прицепных машин в процесс создания силы тяги машинно-тракторного агрегата через ВОМ трактора Анализ схем машинно-тракторных афсгатов (рис. 1.5 и, к, л, м) по­ казывает, что "избыточная" моищость двигателя трактора, снимаемая с его вала отбора мощности, может быть использована [103]:

- во-первых - для уменьшения удельного сопротивления сель­ хозмашины. Из существующих на сегодняшний день способов следует от­ метить применение активных подкапывающих органов, уменьшающих со­ противление или участвующих в создании тягового усилия. Однако это может лишь частично решить проблему, так как значительная доля тягового сопротивления прицепных машин приходится на сопротивление перека­ тыванию. При весе машин в 50...60 кН и коэффициенте сопротивления ка­ чению колес в условиях повышенной влажности 0,4...0,5 сопротивление перекатыванию достигает 20...30 кН [145]. Поэтому для тяжелых прицеп­ ных маншн наиболее перспективен и реален способ передачи части мощ­ ности двигателя на привод ходовых колес сельхозмашины. Особенно это характерно для комплекса посадочных и уборочных машин применяемых при возделывании картофеля. Так вес картофелепосадочной ман]ины типа КСМ-6, с учетом веса посадочного материала, и вес картофелеуборочного комбайна типа ККУ-2А достигает 55...65 кН [90, 145], которые в условиях эксплуатации могут афегатироваться с тракторами типа МТЗ-80. Однако при посадке и уборке картофеля в условиях повышенной влажности поч­ вы, что характерно для времен года, когда проводятся эти операции, а так­ же при преодолении местных сопротивлений, тягового усилия, развивае­ мого этими тракторами, зачастую не хватает. Причем причина здесь не в недостатке мощности трактора, а в его низких тягово-сцепных качествах.

Применение же более мощных колесных тракторов типа Т-150К, класса кП, офа»шчивается шириной междурядий корнеклубнеплодов и давлением движителей на почву [90, 145].

- во-вторых - для привода рабочих органов комбинированных сель­ скохозяйственных машин. В этом случае выполняется сразу, как минимум, две технологические операции. Например, комбинированная сельхозма­ шина фирмы «Мак-Коннел» Англия с роторными орудиями, приводи­ мыми от ВОМ трактора, для высококачественной подготовки почвы за один проход. Она обеспечивает: глубокое рыхление, разрушение комьев и мульчирование поверхности почвы. Другим прообразом такого афегата может служить созданная итальянской фирмой "Кантоне" модель суперкультиватора - сеялки (рис. 1.5 л). Это комбинированная машина с пшриной захвата 4,35 м и весом около 90 кН совмещает операции по обработке почвы, выравниванию, нарезанию борозд, посеву, внесению удобрений и гербицидов. Она выполнена в виде модуля на двух опорных пнев­ матических колесах и включает раму, двигатель мощностью 231 кВт, поч­ вообрабатывающую фрезу диаметром 780 мм, аппараты для высева зерно­ вых и пропашных культур, пневматические аппараты для внесения грану­ лированных удобрений. Бункеры для семян, удобрений, пестицидов и топ­ лива объединены в едином блоке и имеют емкости: для семян - 500, удоб­ рений - 1430, пестицидов - 1400, для топлива - 370 л. Управление рабочи­ ми органами производится с помощью электрогидравлических сервомеха­ низмов, пульт управления которыми размещен в автоматизированной ка­ бине на тракторе-тягаче с мощностью двигателя 52 кВт. Испытания пока­ зали, что суперкультиватор позволяет сократить затраты рабочего времени в 3...5 раз по сравнении с традиционными методами обработки почвы к по­ сева сельскохозяйственных культур [147]. Однако применение такого типа мап1ин следует ожидать в достаточно отдаленной перспективе.

Нужно заметить, что ни один из перечисленных вариантов рас­ пределения мопщости двигателя трактора не исключает параллельного применения другого варианта, поэтому все они могут присутствовать в одном машинно-тракторном агрегате одновременно, дополняя друг друга.

Итак, комплексная реализация мероприятий по перераспределению мощности двигателя трактора позволит при неизменных классах тракторов существенно повысить тяговые усилия, развиваемые мапшннотракторными агрегатами, и, следовательно, увеличить их рабочую ширину захвата и фузоподъемность, а при неизменной ишрине захвата или грузо­ подъемности машинно-тракторных агрегатов - понизить тяговый класс тракторов, входящих в их состав. И в том, и в другом случае повысится эффективность использования агрегатов. Кроме того, при понижении тяго­ вого класса трактора уменьшается его масса, в результате чего будут ос­ лаблены вредные воздействия ходовой системы на почву.

МАШИННЫЕ АГРЕГАТЫ С АКТИВНЫМИ

РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ-ДВИЖИТЕЛЯМИ

По типу привода рабочих органов Рис. 1.6. Классификация машинных агрегатов с рабочими Создание и разработка машин с рабочими органами-движителями (см. рис. 1.6) считается одним из перспективных направлений почвообра­ батывающей техники [68], является предметом рассмотрения следующего параграфа.

1.4. Анализ конструкций отечественных и зарубежных машин В основе разработки орудий с активными рабочими органамидвижителями лежали пристальные наблюдения перехода человека от одно­ го вида обработки почвы к другому.

Вот так в середине прошлого века писал об этом англичанин Р.

Хоскинс: «Руке человека присуще движение взад и вперед, по этому поле­ вым рабочим инструментом человека стали лопата и кирка, требующие этих движений. Упряжное животное совершает прямолинейное движение, поэтому строгальный плуг с оборачиванием пласта является естественным пахотным орудием. Всякий мехагшческий двигатель имеет вращательное движение, поэтому фреза должна быть единственным рабочим органом при механической обработке почвы. Трактор в качестве упряжного двига­ теля к обыкновенным плугам также странно представить, как лошадь, держащую передними ногами заступ или кирку» [49].

Академик Горячкин В.П. писал: «наиболее совершенным движени­ ем для частей всякой мап1ины считается равномерное вращательное дви­ жение. Такое движение способно сохраняться по инерции само собой как прямолинейное, поэтому основной задачей техники является построение машин с вращательным движением [50].

Вопросам ротационной обработки почвы у нас в стране и за ру­ бежом уделяется большое внима1ше. В работах Василенко ЛЛ.[38], Далина А.Д. [62], Канарёва Ф.М. []79, 80], Медведева В.И. [119, 120, 121], Панова И.М. [137, 138, 139, 140], Синеокова Г.Н. [167], Виноградова В.И. [43, 44, 45], Попова Г.Ф. [151], Лисунова С.А. [111] и других ученых рассмотрены конструктивные особенности, история и перспективы развития, механикотехнологические основы расчета и проектирования, влияние различных факторов на энергозатраты и агротехнические показатели машин активной почвообработки.

Рассмотрению различных аспектов применения ротационных поч­ вообрабатывающих машин и оптимизации их параметров посвящены ра­ боты Бока Н.Б. [24, 25, 26], Гринчука И.Н. [53], Жука А.Ф. [69], Зволинского ВЛI. [74], Инаекяна С.А. [76, 77], Канева Н.Ф. [78], Марченко О.С.

[115], Матяншна Ю.И. [116], Яцука Е.П. [209] и других ученых и исследо­ вателей.

Разработка более точных методов расчета рабочих органов с учетом не только статических, но и динамических нафузок были посвяп1ены ра­ боты Жука ЯМ. [70], Докина Б.Д. [66], Попова Г.Ф. [151], Сурилова B.C.

[ 176] и других ученых.

Исследованиями некоторых вопросов ротационной обработки поч­ вы занимались также Эльгурт Я.Б. [207], Прокопенко Д.Д. [154], Павлов В.П. [134], Виноградов В.И. [43, 44, 45], Борисов В.Н. [32], Лещанкин А.И.

[110], Тураев Т.Т. [183] и другие.

Характерным примером рабочих органов-движителей являются почвообрабатывающие фрезы.

Анализ работы почвообрабатывающих фрез в режиме движителей показал, что качественные и эксплуатационные показатели работы, энерго­ затраты и формирование движущей силы в значительной степени опреде­ ляется режимом движения рабочих органов. Механизм привода фрез обес­ печивает технологический процесс при сравнительно большой частоте вращения и незначительной подаче. При таких параметрах режима работы качественная обработка почвы возможна на небольших рабочих скоростях (4-5 км/ч) при значительных затратах энергии (удельная энергоёмкость об­ работки почвы фрезами в 4-8 раз выше, чем плугами) [136, 209]. Надежность работы фрез относительно низкая, ножи при работе на минеральных почвах быстро изнашиваются. В связи с этим фрезы не применяются для основной обработки минеральных почв, а используются главным образом для обработки торфяников, коренного улучшения лугов и пастбищ [136].

Ротационные плуги менее интенсивно, чем фрезы крошат и пере­ мешивают почву, расходует значительно меньше энергии на единицу объ­ ема обработанной почвы.

Выполненными исследованиями установлено [1, 24, 36, 37, 65, 79, 137, 166, 209], что орудия с ротационными рабочими органами наиболее полно отвечают агротехническим требованиям по обработке почвы, позво­ ляют сократить количество технологических операций при подготовке по­ ля к посеву. Важным их преимуществом является также то, что они дают возможность регулировать степень рыхления почвы непосредственно в процессе работы и не образует уплотненную подошву на дне борозды, от­ рицательно влияющую на рост и развитие культурных растений. Они наи­ более полно позволяют интенсифицировать процесс обработки почвы.

Особую группу машин составляет ротационные плуги, не имеющие неподвижных рабочих частей, У ротационного плуга Лихта (ГДР) ротор состоит из вертикального диска и трех изогнутых лопастей. Каждая лопасть заточенной передней кромкой отрезает крупные пласты почвы, отбрасывает их в сторону и обо­ рачивает. Всего на плуге может быть установлено несколько таких рабо­ чих органов один за другим, как корпусы лемеишого плуга. Для пахоты на глубину 20-25 см внешний диаметр лопастей должен быть равен 600... мм. Угол наклона оси ротора к дну борозды 15...25°. Поверхность лопастей цилиндрическая. При окружной скорости ротора 1,5...1,7 м/с и поступа­ тельной скорости движения 0,35 м/с - толщина стружки получается равной 15... 18 см. Однако даже при такой низкой скорости перемещения плуг пло­ хо обеспечивает оборот пластов - они беспорядочно укладываются в бо­ розде [137].

Ротационный плуг фирмы Вохпег Kuhnele имеет в качестве рабоче­ го органа одно- или четырехзаходный винтовой шнек. Ось шнека распо­ ложена в направлении движения плуга. Совершая един оборот, стек перед­ ней режущей кромкой отрезает пласт почвы в виде кругового сегмента, оборачивает его и укладывает в предыдущую борозду перпендикулярно к направлению движения.

Шаг винтовой поверхности четырехзаходного шнека равен 1,5 м, диаметр пшека спереди - 694 мм, сзади - 640 мм, длина его равна 600 мм.

Испытания шнекового плуга показали, что он удовлетворительно заделывает навоз и растительные остатки при поступательной скорости 0,6...1,1 м/с и частоте вращения шнека 59-92 мин'\ Потребная мощность на обработку почвы шнековым плугом примерно одинаковая с фрезой.

Недостатком плуга является то, что он имеет малый захват и, сле­ довательно, небольшую производительность, а также гребнистую поверх­ ность дна бороздок.

Большую известность получил голландский ротационный плуг «Rotaspa», который выпускается в Голландии, Франции и Англии. Рабочие ор­ ганы плуга (в виде лопат) закреплены на вращавшемся роторе, привод на который осуществляется от ВОМ трактора через цепную передачу и ре­ дуктор.

Работа плуга заключается в следующем.

Установленные на передней балке плуга черенковые ножи произво­ дят вертикальный разрез почвы на ленты. Нож при вращении разрезает ленту на отдельные пласты и переносит их назад. При выходе из почвы нож поворачивается, производя поворот пласта. Плуг «Rotaspa» предна­ значен для обработки сильно увлажненных почв, особенно там, где нет не­ обходимости в тщательном крошении почвы. Ширина захвата плуга 2,1 м, масса 750 кг, максимальная глубина обработки до 30 см, агрегатируется с трактором моншостью 25... 30 л.с. При поступательной скорости движения 1,5 км/ч и числе оборотов ротора 30...40 в минуту, производительность плуга 0,3 га/ч.

Испытания плуга показали, что он потребляет энергии в 3 раза меньше, чем фреза, но дает недостаточное крошение почвы и имеет слож­ ное устройство для оборачивания пластов [119, 137, 138, 209].

У ротационного плуга РП-190 рабочим органом является ротор с четырьмя сплошными режущими лезвиями, идущими по винтовой линии симметрично от центра ротора для уравновешивания боковых усилий. К задней кромке лезвий прикреплены пластинчатые пружины. Во время движения ротор вращается в направлении движения машины, режущие лезвия отрезают пласт почвы, который ложится на пластины и увлекается ими во вращение за счет силы трения; при этом пружины принимают фор­ му траектории, описываемую ножом (рис. 1.7 а).

При выходе рабочих органов на поверхность поля пружины расп­ рямляются, а пласт под действием собственного веса сходит с них и укла­ дывается верхней частью на дно борозды. Рабочий захват плуга 190 см, глубина обработки может быть установлена от 15 до 29 см, рабочая ско­ рость движения от 1,1 до 3 км/ч, масса плуга 600 кг.

Исшлтания плуга РП-190 проводились в сравнении с лемешным плугом ПН-3-35 с захватом 105 см. Они показали, что требуемая мощность для обработки почвы одинакова как для лемешного плуга, работавшего на скорости 4,32 км/ч, так и для ротационного, работавшего при числе оборо­ тов 37 в минуту и поступательной скорости 2,18 км/ч. При указанных ре­ жимах оба плуга дают примерно одинаковую производительность и каче­ ство обработки почвы. Увеличение числа оборотов ротационного плуга приводит к повышению потребной мощности, но обеспечивает лучшее ка­ чество обработки почвы. При испытаниях было установлено также, что к.п.д. ротационного плуга составляет от 91,8 до 97,5 %, в то время как к.п.д. лемешного плуга не превышал 48.,.52 % [137, 119, 209].

В настоящее время некоторых странах Западной Европы применя­ ется плуг голландской фирмы "Викон". Аналогичный плуг КР-1,5 исполь­ зуется в СССР для обработки закрытого грунта.

Ротационный копач КР-1,5 представляет собой машину, состоящую из рамы, ротора с рабочими органами и привода ротора. У вращающегося ротора имеется четыре секции с тремя ножами каждая. Ножи имеет Форму широких изогнутых лопаток. Глубина вспашки регулируется опорными лыжами. На плуге установлены также черенковые ножи, которые произво­ дят отделение пластов в вертикальной плоскости.

При вращении ротора ножи входят в почву почти под прямым уг­ лом (при этом отрезанные куски почвы затем поворачивается на 90°), сбрасывают и укладывают почву на дно борозды.

Ротационный копач КР-1,5 рассчитан на работу в специфических условиях на значительно переувлажненных почвах. Диапазон регули­ рования степени крошения у него весьма ограничен, а производительность крайне мала [163].

Работа ротационных плугов в производственных условиях показы­ вает, что они являются наиболее совершенными как в техническом, так и в агротехническом отношении. Однако они еще не могут конкурировать с лемешными плугами по производительности из-за малых поступательных скоростей (2...3 км/ч).

Разработанный "Алтайсельмашем", ротационный плуг КП-200А [1] обеспечивает обработку почвы на скоростях до 7 км/ч. Широкие пределы регулирования степени крошения почвы, возможность удовлет­ ворительной работы в любом диапазоне влажности, отсутствие разъемных борозд и свальных гребней позволяет применить этот плуг в большинстве зон для обработки полей под овощные, технические и зерновые культуры [65].

Интересно по конструкции почвообрабатывающее орудие, содер­ жащее подвижно установленный на полуосях корпус, на котором посред­ ством шарниров установлены почвообрабатывающие рабочие органы, ншрнирно соединенные с кривошипами, которые посредством шатунов со­ единены с кольцом, установленным с возможностью вращения на оси, эксцентрич»ю расположенной относительно полуосей корпуса (рис. 1.7 б).

Испытания этой машины показали, что она хорошо крошит почву, так при скорости движения 0,5...2 м/с на почвах твердостью 3,5...5,5 мПа, влажно­ стью 12... 16% - фракции размером менее 0,05 м составляли 50...61 % [11, 21,22].

Почвообрабатывающая машина, предложенная Таджикским НИИ земледелия, включает раму и рабочие органы, выполненные в виде иголь­ чатых дисков, закрепленных на приводном валу. Игольчатые диски смон­ тированы на валу поочередно жестко и свободно, причем свободно смон­ тированные диски связаны с приводным валом через редукторы, соеди­ ненные с рамой посредством стоек. Почвообрабатывающая машина позво­ лит предотвратить распыление почвы, повысить качество её обработки [71, 72].

Представляет интерес конструкция игольчатого ротационного рых­ лителя механика Ж.Ф. Якобина и результаты исследований подобных ору­ дий, проведенные в Воронежском СХИ под руководством профессора Ф.С.

Завалипшна [71, 72]. Рыхлитель создаёт значительную движущую силу, поэтому может агрегатироваться с энергонасыщенными тракторами, кото­ рые имеют небольшую массу. Это позволит, по мнению авторов, сократить грузооборот металла и расход энергии. В особую группу можно выделять небольшое число орудий, у которых рабочие органы совершают движение по деформированной трохоиде, в отличие от машин и орудий ротационно­ го действия, где рабочие органы совершают движения по нормальной тро­ хоиде. В качестве исполнительного механизма в них используют четырёхзвенник.

Успешные работы в этом направлении ведутся в Италии, где вы­ пускаются копатели двух марок "Фальк" и "Граменга" [119, 163]. Сравни­ тельные испытания этих копателей с лемешным однокорпусным плугом и плугом "Ротаспа" показали, что плуг "Фальк" оказался наиболее производительщ>1М. По удельным затратам этот луг почти не отличался от лемешного плуга, хотя уступает по этому показателю плугу "Ротаспа". Качест­ венные показатели работы испытуемых плугов не дали преимущества ка­ кому-либо из них. Скорость движения значительно уступает лемешному плугу, что является одним из главных сдерживающих обстоятельств для более широкого распространения почвообрабатывающих агрегатов с кривоншпно-шатунным приводом рабочих органов-движителей [119].

Продолжаются исследования по созданию самоходных почвообра­ батывающих орудий с рабочими органами-движителями.

Советские изобретатели Коломеиц В.М., Зверко Д.Н. и Зверко Б.Д.

создали и испытали макетный образец СРПА (самоходного реактивного пахотного агрегата), который имеет две симметричные рабочие секции, каждая из которых соединена с рамой niaccH. По направляющим секций на бесконечных тяговых цепях (гусеницах), расположенных под углом друг к другу, движутся право- и левоотваливающие плужные корпуса.

Конструкция СРПА позволяет не только снизить расход энергий на пахоту, но и совместить функции рабочих органов и движителей. Масса таких афегатов обуславливается лишь требованиями к конструктивной надежности деталей [162]. На этом же принципе создан и самоходный ро­ тационный рыхлитель СРР системы А.И. Тимофеева [119, 180]. Рабочими органами этой машины является два многозаходовых шнека. Они рыхлят верхний слой почвы и под действием реакций почвы на его поверхностях осуществляется поступательное движение афегата.

В МИИСП разработан другой вариант самоходной машины с рабо­ чими органами-движителями. Он представляет собой два независимых друг от друга барабана с прикрепленными к ним (в зависимости от вида выполняемой почвообрабатывающей операции) рабочими органами стрельчатыми лапами, небольшими рыхлителями и т.п. Оси барабанов ус­ танавливается как параллельно, так и под прямым углом друг к другу. В первом случае барабаны вращаются с различными скоростями, за счет чего в основном и происходит спиралевидное пересечение машины по полю.

Рис. 1.7. Почвообрабатывающие машины с рабочими а) Схема работы ротационного плуга «РП-190»;

б) по а.с. № Во втором случае афегат движется вперед.

В силу непрерывного изменения свойств почвы обеспечить создан­ ный режим работы подобных афегатов, плавкость их хода без авто­ матического регулирования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой невозможно, т.к. реактивная отдача земли под каждым из рабочих органов будет своя. Есть и другие замечания по самоходным машинам с рабочими органами-движителями. Но и выгоды неоспоримые, так как они по сравнение с обычными пахотными афегатами повышают производи­ тельность втрое - вчетверо, потребление металла снижают вполовину, а за­ траты энергии уменьшают на 70% [49].

В Самарской ГСХА разработан культиваторный афегат с активны­ ми колесами-рыхлителями, приводимые в движение от ВОМ через меха­ нический привод. Культиваторный афегат с активными колесамирыхлителями создан на базе трактора Т-25А и культиватора-окучника КОН-2,8Б. Принципиальная схема культиваторного афегата с активными колесами-рыхлителями представлена на рис. 1.8.

В отличие от серийного культиватора-окучника КОИ-2,8Б, культи­ ватор-окучник с активными колесами рыхлителями вместо колес секций имеет активные колеса-рыхлители 1, которые через цепную передачу 2, редуктор 3 и карданную передачу 4 приводятся во вращение от ВОМ трактора. Экспериментальный культиватор-окучник навешивается с по­ мощью навески 6 трактора.

Культиватор работает следующим образом. При движении агрегата производится культивация почвы с помощью пассивных рабочих органов 7. Снижение тягового сопротивления происходит вследствие получения дополнительной движущей силы от активных колес-рыхлителей 1. При вращении активных колес-рыхлителей 1 от вала отбора мощности 5 трак­ тора, через цепную передачу 2, редуктор 3 и карданную передачу рыхлители 8 взаимодействуя с почвой, разрыхляют ее и создают силы сопротивления, препятствующие буксованию активных Рис. 1.8. Принципиальная схема культиваторного агрегата с 1- активные колеса-рыхлители; 2- цепная передача; 3- редуктор; 4карданная передача; 5- вал отбора мощности трактора; 6- навеска трактора;

7- пассивные рабочие органы; 8- рыхлители; 9- дисковый нож.

колес-рыхлителей, а также способствуют снижению сопротивления дви­ жению пассивных рабочих органов 7 в почве. Снижению сопротивления движению пассивных рабочих органов 7 в почве также способствует дис­ ковый нож 9, установленный по середине жесткого обода активного коле­ са-рыхлителя I, который нарезает опережающую трещину перед пассив­ ными рабочими органами.

Анализ литературных источников позволяет сделать следующие обобщения:

1. Современное направление в тракторостроении характеризуется непрерывным ростом мощности двигателей при одновременном снижении металлоемкости мащин.

2. В настоящее время колесный энергонасыщенный трактор при классическом способе передаче энергии «движители трактора - почва» не может выполнять мобильные технологические операции с полной зафузкой двигателя.

3. В условиях пов1>1шения энергонасыщенности тракторов наблюда­ ется расширение применения комбинированных машин и орудий с актив­ ными рабочими органами и органами-движителями, позволяющими пол­ нее использовать мощность двигателя трактора.

4. С целью уменьшения буксования и улучшения тягово-сцепных свойств афегата, повышения производительности труда и увеличения зафузки двигателя трактора, выяснилось желательность функционирования рабочих органов-движителей, приводимых от ВОМ трактора.

Таким образом, возникла необходимость в проведении теоретиче­ ских и экспериментальных исследований культиваторного афегата с ак­ тивными колесами-рыхлителями, которые явились бы основанием для вы­ бора его конструктивных параметров и режимов работы, способных повысить его эффективность.

Исходя из выше изложенного, целью настоящей работы является пов1.нцсние эффективности культиваторного агрегата с трактором класса 0,6 применением активных колес-рыхлителей.

В соответствии с целью исследования ставятся следующие задачи:

1. Определить технологическую схему культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями.

2. Обосновать конструктивные параметры активного колесарыхлителя имеющего механический привод от ВОМ трактора.

3. Выявить рациональный режим работы культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями по минимальным энергозатратам, максимальной скорости движения и тяговому к.п.д.

4. Провести сравнительные испытания серийного и предлагаемого культиватора с активными колесами-рыхлителями в производственных ус­ ловиях и оценить технико-экономическую эффективность использования культиваторного афегата с активными колесами-рыхлителями.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ АКТИВНОГО КОЛЕСА-РЫХЛИТЕЛЯ

Активное колесо-рыхлитель состоит из диска 1 (см. рис. 2.1), кото­ рый с помощью болтового соединения (болтов 12 и гаек 13) крепится к ва­ лу 8, приводимого от вала отбора мощности трактора, жесткого обода 2, по периметру которого с внешней стороны, по середине, жестко закреплен дисковый нож 3, а с внутренней попарно установленные и подпружинен­ ные пружинами сжатия 6 во втулках 4 рыхлители 10, в направляющей час­ ти 5 которых расположено колесико 9 на своей оси 15 и фиксатор 14, удерживаюнщй рыхлители во втулках, кулачков 7, расположенные под осью колеса и установленные шарнирно на валу 8 одним концом, и закре­ пленные жестко на корпусе сельскохозяйственной мащины с помощью отверстий 11 - другим.

Активное колесо-рыхлитель работает следующим образом. При враи1ении активгюго колеса-рыхлителя от вала отбора мощности трактора, рыхлители 10 колесиками 9 входят в контакт с поверхностями кулачков и начинают взаимодействовать с почвой в осевом направлении в начале зоны буксования, другим концом, сжимая пружины 6. Как только рыхли­ тели 10 войдут в контакт с почвой, то в зоне их контакта начнут создавать­ ся силы сопротивления, препятствуюнще буксованию активного колесарыхлителя, и одновременно будет производиться рыхление по его следу.

Такие условия создадут возможность снижения буксования актив1ЮГо ко­ леса-рыхлителя с одновременным рыхлением почвы по его следу. Так как активное колесо-рыхлитель вращается, то после выхода колесиков 9 с по­ верхностей копиров 7, под действием пружин 6 рыхлители 10 возвратятся в исход1юе положение. Такое возвратно-поступательное движение проис­ ходит периодически, по мере их контакта с поверхностями кулачков 7.

Рис. 2.1. Принципиальная схема активного колеса-рыхлителя:

1- диск колеса; 2- жесткий обод колеса; 3- дисковый нож колеса; 4вгулка; 5- направляющая часть рыхлителя; 6- пружина; 7- кулачок; 8- вал колеса; 9- колесико рыхлителя; 10- рыхлитель; 11- отверстия для крепле­ ния; 12- болт; 13- гайка; 14- фиксатор рыхлителя; 15- ось колесика рыхли­ теля Далее определим конструктивные и рабочие параметры активного колеса-рыхлителя, обеспечивающие оптимальный режим его работы в культиваторном афегате.

2.1. Контактные зоны жесткого колеса с почвой Известно [61, 148], что поверхность контакта жесткого колеса с деформируемой поверхностью основания (рис. 2.2) можно разбить на две части.

Точки контакта расположенные на участке дуги АВ, будут иметь горизонтальные перемещения, направленные в сторону движения колеса.

Возникаюпще на этом участке реакции основания направлены в сторону, противоположную направлению движения оси колеса. Точка приложения равнодействующей этих реакций расположена в пределах участка АВ.

Точки поверхьюсти контакта, находящиеся на дуге ОА, будут иметь горизонтальные перемещения, направленные в сторону, противоположную направлению движения оси колеса, и, следовательно, реакции и их равно­ действующую направленными в сторону движения оси колеса. Точка при­ ложения равнодействующей горизонтальных составляющих реакции осно­ вания на этом участке должна находиться в пределах дуги ОА.

Таким образом, при качении жесткого колеса по упругому основа­ нию, поверхность контакта колеса с основанием можно разделить на зону буксования (ОА), когда поверхность контакта колеса проскальзывает отно­ сительно поверхности основания в противоположную сторону, и на зону сцепления (АВ), когда на некоторой части поверхности контакта колеса нет относительных перемещений поверхностных элементов контактируемыхтел.

При анализе качения жесткого колеса по деформируемому основа­ нию примем, что:

1) основание, по которому происходит качение колеса, является одпородным и имеет только пластические деформации;

2) скорость качения постоянна и мала, и, следовательно, можно пренебречь силами инерции, возникающими при прессовании поверхности качения;

3) поверхность, ограничивающая основание, является горизонталь­ ной.

Определим длину поверхности контакта колеса с основанием L (рис. 2.2), зоны буксования /,, зоны сцепления 7^, а также координаты точ­ ки разделения зон (т. А) с учетом величины буксования 5 и глубины колеи При качении жесткого колеса, радиусом г и шириной обода /?, с постоянным буксованием д по деформируемому основанию, в каждый момент времени будет происходить их взаимодействие в зоне равной L.

Тогда длина поверхности контакта колеса с основанием L определится как где г- радиус колеса, м\ а- угол взаимодействия колеса с основанием, рад.

Определим длины зоны буксования /, и зоны сцепления 7^, а также координаты точки разделения зон (т. А). Условной границей разделения зон, может быть линия ОзА [148]. Тогда величина зоны буксования опре­ делиться как где a^ - угол, при котором действует буксование, рад.

Длина зоны сцепления равна где а^ - угол, при котором происходит сцепление, рад.

Рис. 2.2. Схема к определению контактных зон жесткого колеса с почвой Найдем углы or, •, достигает максимального значения, а на нижнем уровне его значение заметно отличается по абсолютной величине. Такое варьирование скоростного фактора вызывает относительно меньшее коле­ бание второго критерия.

Из технологических параметров на изменение энергозатрат актив­ ных колес-рыхлителей и движущей силы наибольшее влияние оказывают (Л'^) (глубина обработки), угол установки кулачка (Х^), а также количест­ во р1>1хлителей (Х^). Например, увеличение тягового сопротивления (глу­ бины обработки почвы) вызывает соответствующее повышение затрат монпюсти и движущей силы, создаваемой активными колесамирыхлителями.

По сравнению с другими факторами количество рыхлителей Х, оказывает большее влияние на изменение энергозатрат обработки почвы.

Вместе с тем область оптимального сочетания факторов по выбранным критериям оптимизации в значительной мере опрелеляется уровнями рас­ положения фактора скоростного режима и количества рыхлителей.

4.2. Влияние выбранных факторов на удельные затраты мощности В результате многофакторного эксперимента и математической об­ работки данных исслелования получена линейная модель факторов, влияющих на удельные затраты мощности. Эмпирическое выражение ин­ тересующей нас зависимости согласно табл. 4.2 запишется y^ = 2,601 + 0,71 Од:, - 0,062JC2 + 0,238x3 + 0,129д:4 - 0,523д:5 л:,дгз + 0,064д:,д:з + 0,048д:,д:4 - 0,222д:,д:5 + 0,061 А-2Д:З + (4.1) + 0,027д:2Д:4 - 0,009д:зД:4 - 0,05^3X5 - 0,038x4X С целью отыскания оптимального сочетания факторов в исследова­ тельском процессе после получения математической модели (4,1) произво­ дился её анализ на экстремум. Для более глубокого исслелования влияния отдельных факторов и их взаимодействий на выбранные параметры опти­ мизации результаты опытов были обработаны методом множественного рефессионного анализа [112]. После такого статистического анализа урав­ нение рефессии (4.1) в окончательном виде запишется J', = 2,601 + 0,71х, - 0,062x2 + 0,23 8хз + 0,129x4 " - 0,523x5 + 0,064х,Хз - 0,222х,Х5 + 0,061x3X Из уравнения (4.2) следует, что все выбранные факторы оказывают влияние на затраты мощности. Это подтверждает правильность выбора действующих факторов и достоверность результатов исследования, прове­ денных в этом направлении однофакторным экспериментом. Например, увеличение окружной скорости колес-рыхлителей (Х,), также как и дофузки на колесо-рыхлитель (.V3), вызывают заметные изменения энер­ гозатрат. Значительная MonuiocTb требуется при уста1ювочном угле кулачка (.Vj) ^^,„ =15°, чем при ^^,„ =5°. Только увеличение количества рыхли­ телей (А'г) и установке кулачка на ^^,„=5° вызывают соответствующее уменьшение затрат потребной мощности.

Из парных взаимодействий наиболее существенное влияние на удельные затраты мопщости оказывают сочетание факторов, связанных с окружной скоростью колес-рыхлителей и догрузки на колесо-рыхлитель.

Сочетание факторов с тяговым сопротивлением {X^) (глубина обработки) также оказывает значимое воздействие на затраты мощности.

Выбранные факторы не в равной степени влияют на изменение по­ требной мощности. Более других выделяются факторы X^ и Xj, характери­ зующие кинематику движения рыхлителей в почве. Для количественной опенки эффектов факторов удобна диаграмма, приведенная на рис. 4.1.

Она дает наглядное представление о степени влияния каждого из факторов и их взаимодействий, позволяет выделить наиболее значимые эффекты.

При взаимодействии активных колес-рыхлителей с почвой, как видно из рис. 4.1, наиболее заметное изменение потребной мощности происходит от действия двух факторов: относительной скорости колеса-рыхлителя и ко­ личества рыхлителей, а также от взаимодействия этих факторов. Оказа­ лось, что изменение угла установки кулачка на затраты мощности незна­ чительно, эффекты взаимодействий ее с другими факторами гю сравнению с главными эффектами малы. Это объясняется тем, что эксперимент с ши­ роким пределом изменения угла установки кулачка на различных скоро­ стных режимах невозможно обеспечить одним и тем же числом рыхлите­ лей. Так, на верхнем уровне скоростного режима осуществлялась 20, а на нижнем - 40 рыхлителями. Именно поэтому несколько сглаживался эффект влияния фактора Х^, хотя в эксперименте на определенных режимах раз­ ница эффектов от угла установки кулачка (см. табл. 4.1 опыты №3 и № или № 4 и №16) достигает значительных величин. Следовательно, при ши­ роком диапазоне изменения угла установки кулачка необходимость соответствующего числа рыхлителей на различных скоростных режимах вызы­ вает определенный интерес с точки зрения оптимизации технологического процесса и изменения энергозатрат окучивания.

Таким образом, изучение характера функциональной зависимости затрат потребной мощности от скоростных и технологических параметров режима работы активного колеса-рыхлителя представляет значительный интерес. Результатами и анализом однофакторных экспериментов можно точнее представить характер изменения энергетических показателей и формирования движущей силы на определенном режиме работы активно­ го колеса-рыхлителя.

Рис. 4.1. Диаграмма эффектов факторов на удельные затраты мощности 4.3. Влияние факторов на формирование движущей силы выбранных факторов представляет линейной моделью У2 = 0,583-0,03х, +0,035x2 +0,09JC3 +0,104^4 -0,085^5 -0,0Цхз с,Хз - 0,0Цх4 -0,02 Цх, +0,005x3X3 +0,001x3X4 +0,002x3X5 + (4.3) + 0,03x3X4 + 0,001x3X5 - 0,012x4X Влияние отслыпих факторов и их взаимодействий на величину формируемой активным колесом-рыхлителем движущей силы устапавлившюсь дисперсионным анализом результатов эксперимента. Как и в пре­ дыдущем разделе, общая дисперсия экспериментальных данных разложи­ лась на дисперсию, обусловленную действием факторов, и дисперсию, возникающую под влиянием неучтенных факторов, называемую остаточ­ ной дисперсией или дисперсией ошибки эксперимента. Результаты дис­ персионного анализа приведены в приложении 7.

Полученное уравнение рефессии (4.3) подвергалось полному ста­ тистическому анализу. С помощью критерия Стьюдента проверялась также значимость коэффициентов рефессии.

Уравнение рефессии в окончательном виде имеет вид Ут^ = 0,583 - 0,03.Y, + 0,035д-2 + 0,09^3 + 0,104^4 - 0,085д:5 + ОО д з - (4.4) Гипотеза об адекватности представленной модели полиномом первой степени проверялась критерием Фищера F = — = 0,7. Табличное значение F- критерия с 95-ной вероятностью для степеней свободы У = и /2=16 будет /•;о5=2,51. Оно больше вычисленного, значит, гипотезу об адекватности можно принять.

Из уравнения рефессии (4.4) видно, что, в заданном интервале варьирования параметров режима работы активного колеса-рыхлителя, величина движуп1ей силы в значительной мере определяется действием выбранных факторов. Из них наиболее заметное влияние на движущую силу оказывают изменения тягового сопротивления (Х^) (глубина обра­ ботки), угол установки кулачка (Х^), а также количество рыхлителей (.V,).

С увеличением их пропорционально возрастает и движущая сила. Это объ­ ясняется соответствуюп1им возрастанием при этом суммарной реакции почвы на активное колесо-рыхлитель и интенсивности кропшния рыхлите­ лями почвы.

Количественная оценка эффектов факторов уравнения (4.4) приве­ дена в диафамме эффектов, представленной на рис, 4.2. По вычислен­ ным значениям эффектов оценивалась степень влияния того или иного фактора на величину движущей силы активного колеса-рыхлителя.

Фактор Х^ характеризует угол установки кулачка. Установка ку­ лачка на угол 5 способствует увеличению движущей силы за счет умень­ шения буксования и повышения тягово-сцепных свойств активного колесарыхлителя.

При уменьшении догрузки на активное колесо-рыхлитель и увели­ чения его окружной скорости движущая сила уменьшается. При нижнем уровне значения догрузки на колесо-рыхлитель Х, и верхнем уровне зна­ чения количества рыхлителей Х^ движущая сила увеличивается, при од­ ном и том же значении тягового сопротивления X^, вследствие повышения сцепления активного колеса-рыхлителя с почвой.

Таким образом, формирование движущей силы изменением скоро­ стного режима активного колеса-рыхлителя в большей степени зависит от количества рыхлителей одновременно находящих в зацеплении с почвой.

Однофакторным экспериментом нами исследовался характер изменения движущей силы в зависимости от окружной скорости при неизмененных других параметрах активного колеса-рыхлителя.

На изменение движущей силы влияет и тяговое сопротивление, с увеличением которого движущая сила, создаваемая активным колесомрыхлителем, уменьшается. Это связано с появлением эффекта буксования.

По сравнению с другими параметрами - угол установки кулачка, количество рыхлителей (Х^) и дофузки на колесо-рыхлитель - варьирова­ ние тягового сопротивления в заданном интервале вызывает значительные изменения движущей силы.

После основной серии опытов с учетом значимости эффектов на критерии оптимизации >•, и у-^ установление характера функциональных зависимостей от доминирующих факторов нами произведено на основании результатов дополнительных опытов.

Рис. 4.2. Диаграмма эффектов формирования движущей силы активным 4.4. Зависи1иость энергетических показателей и движущей силы от окружной скорости активного колеса-рыхлителя Изучение влияния угловой скорости активного колеса-рыхлителя на изменение затрат мощности и формирование движущей силы проводилось для значений угловой скорости 0,78...4,67 рад/с. Это соответствовало ско­ рости движения их на горизонтальном участке 0,21... 1,29 м/с. В лабора­ торных условиях применялось колесо-рыхлитель радиусом г = 26 см, ши­ риной обода b =\2см и высотой дискового ножа h^=6 см, максималь­ ный выход рыхлителя Z?,,,^ = 6 см.

Результаты динамометрирования и математическая обработка опытных данных показали, что между энергетическими и силовыми пока­ зателями активного колеса-рыхлителя и угловой скорости его существует криволинейная зависимость (рис. 4.3). Из графиков видно, что с увеличе­ нием угловой скорости (D активного колеса-рыхлителя затраты потребной мощности возрастают, а уменьшение передаваемого момента М^ проис­ ходит также по криволинейной зависимости. Пропорциональное возраста­ ние при этом скорости движения вызывает соответствующее повышение интенсивности выдвижение рыхлителей активного колеса-рыхлителя. Экс­ периментальные данные также показывают на нелинейный характер зависимости движущей силы F^.. Так, изменение угловой скорости (о, примерно в два раза, приводит к уменьшению движущей силы, создавае­ мой активным колесом-рыхлителем, в среднем на 12.. 16%. Это согласуется с результатами основной серии опытов, где эффект окружной скорости (X,) па величину движущей силы при различном количестве рыхлителей, участвующих в технологическом процессе на различных режимах, также незначителен. Менее интенсивное изменение движущей силы F^^ следова­ тельно, говорит о большей зависимости её от угловой скорости.

С увеличением угловой скорости момент Л/,^ и составляющая ре­ акция почвы уменьшается неравномерно, интенсивное снижение наблюда­ ется при малой угловой скорости, когда используется больпюе количество рыхлителей активного колеса-рыхлителя участвующих в зацеплении с почвой. При этой же скорости наблюдается сниже1ше потребной мощно­ сти. В связи с этим при изменении угловой скорости движение активного колеса-рыхлителя происходило при изменении количества рыхлителей от 20 до 40 шт. Наиболее интенсивное снижение момента М^^ и силовых по­ казателей происходит при малом количестве рыхлителей активного коле­ са-рыхлителя участвующих в зацеплении с почвой, так как снижается суммарный момент сопротивлений движению. Так, снижение передавае­ мого момента и движущей силы составило соответственно в среднем 18% и 14%.

С повышением угловой скорости энергетические и силовые показа­ тели активного колеса-рыхлителя, возрастают. Например, с увеличением Рис. 4.3. Изменение энергетических показателей и касательной силы в зависимости от угловой скорости возросли соответственно на 46% и 32%. Следовательно, увеличение угловой скорости активного колеса-рыхлителя вызывает значительный рост удельных показателей. Этого нельзя не учитывать при проектирова­ нии афегатов с активными колесами-рыхлителями используемых на раз­ личных скоростных режимах.

Как видно из рис. 4.3, характер изменения энергозатрат и движуп1ей силы позволяют определить оптимальный режим использования активного колеса-рыхлителя. Такой режим соответствует меньшему значению угло­ вой скорости и большому числу рыхлителей в активном колесе-рыхлителе.

4.5. Зависимость энергетических и силовых показателей активного колеса-рыхлителя от угла установки кулачка Анализ результатов многофакторного эксперимента показал, что в формировании движущей силы и снижения удельных затрат мощности угол установки кулачка оказывает существенное влияние. С целью опре­ деления характера этих зависимостей и проверки изложенных предпосы­ лок нами поставлены дополнительные опыты с различным числом рыхли­ телей.

Результаты опытов показывают линейный характер изменения по­ требной мощности в зависимости от угла установки кулачка (рис. 4.4). При равных условиях с уменьшением числа рыхлителей энергозатраты возрас­ тают, так как соответствующее увеличение при этом угловой скорости вы­ зывает пропорциональный рост и скорости резания. С увеличением числа рыхлителей происходит снижение энергозатрат.

Как видно из графиков, с увеличением угла установки кулачка по­ нижение потребной мощности происходит непропорционально изменению угла установки кулачка активного колеса-рыхлителя. Например, для о1юрно-рыхлящего колеса с 40 рыхлителями увеличение угла установки кулач­ ка до 15° вызывало уменьшение моншости в 1,3 раза. Снижение этой мощности при уменьнюнии угла установки кулачка объясняется уменынением работы на рыхление почвы, т.е. уменьшением суммарной поверхно­ сти рыхления в единице объема обработанной почвы и снижения количе­ ства рыхлителей, находящихся в зацеплении с почвой.

При равных условиях работы аналогичный характер изменения мощности наблюдается при движении активного колеса-рыхлителя с рыхлителями. Вместе с тем, уменьшение числа рыхлителей на активном колесе-рыхлителе, несмотря на некоторое увеличение при этом угла уста­ новки кулачка до 15° приводит к повышенным затратам мощности. На­ пример, при угле установке кулачки ^^,^=15° по сравнению с режимом, где количество рыхлителей и = 40, повышение мощности составило соот­ ветственно 15% и 33%. А при одинаковых конструктивных параметрах разница в затратах мощности уменьшается. Последнее объясняется увели­ чением угла установки кулачка и соответствующим уменьшением количе­ ства рыхлителей одновременно находящихся в зацеплении с почвой. С уменьшением числа рыхлителей активного колеса-рыхлителя скорость ре­ зания возросла соответственно на 16% и 58%, значительно уменьшилось количество рыхлителей одновременно находящихся в зацеплении с почвой. Этим объясняется рост энергозатрат и повышение нафузки на ак­ тивное колесо-рыхлитель, особенно в режиме движения с меньшим коли­ чеством рыхлителей (А7 = 20). При этом заметно возрастает работа на со­ общение почве кинетической энергии.

Следовательно, увеличение количества рыхлителей на активном колесе-рыхлителе приводит к уменьшению потребной мощности, измене­ ние которой при равных условиях в большей степени зависит от скорости резания, чем от угла установки кулачка.

Для активного колеса-рыхлителя представляет интерес изменение движущей силы /\. от угла установки кулачка. Как видно из фафиков (см.

рис. 4.2), это изменение носит не линейную зависимость.

кВт 1, FK, Рис. 4.4. Изменение энергетических показателей и касательной силы в зависимости от угла установки кулачка ^^,„ активного колеса-рыхлителя (при г = 26см, Л = 12 см, Л =6см и /;„з, =6см):

с увеличением угла установки кулачка происходит увеличение лвижун1ей силы до некоторого его значения. Максимальная движущая си­ ла приходит на величину угла установки кулачка (ру^„ = 7,5 °. Это связано с уменьшением буксования благодаря внедрению рыхлителей в зоне буксо­ вания (см. рис. 2.2), что способствует увеличению зоны сцепления актив­ ного колеса-рыхлителя с почвой. При дальнейшем увеличении происходит уменьшение движущей силы, т.к. рыхлители начинают взаимодействие с почвой в зоне сцепления (см. рис. 2.2) активного колеса-рыхлителя вызы­ вая дополнительное сопротивление качению колеса. С увеличением коли­ чества рыхлителей силовые показатели активного колеса-рыхлителя повьппаются, так как в формировании процесса движения участвуют боль­ шее количество рыхлителей находящихся в зацеплении с почвой. Количе­ ство рыхлителей находящихся в зацепление с почвой ограничивается лишь конструктивным параметром. На различных режимах изменение силовых показателей происходит менее интенсивно, чем увеличение скорости реза­ ния. Следовательно, с уменьшением рыхлителей, несмотря на изменения угла установки кулачка, удельная нагрузка на активное колесо-рыхлитель возрастает.

4.6. Зависимость энергетических и силовых показателей активного колеса-рыхлителя от тягового сопротивления Результаты основной серии опытов и диаграммами эффектов ос­ новных факторов выявлено значительное изменение потребной мощности и движущей силы от тягового сопротивления (глубины обработки). По ме­ ре увеличения тягового сопротивления среднее значение потребной мощ­ ности возрастает, экспериментальные исследования подтверждают сущеCTBOBaime между ними не линейной зависимости, а зависимости, близкой к параболической (рис. 4.5).

с увеличением тягового сопротивления повышается сопротивление движению, вследствие чего наблюдается интенсивное возрастание потреб­ ной моншости. При увеличении тягового сопротивления в 2 раза, затрачи­ ваемая активным колесом-рыхлителем потребная мощность возросла в 1,15 раза. Дальнейшее увеличение тягового сопротивления — до 0,9 кП вызывает соответствующее повышение затрат потребной мощности в 1, раза, что значительно превышает предыдущие показатели. Следовательно, с увеличением тягового сопротивления энергетические показатели активГ колеса-рых;штеля достигают наибольшего значения. Эту величину мощности необходимо учитывать при определении движунщх на активное колесо-рыхлитель сил и следует принять за исходное значение при проч­ ностных расчетах.

Для исследуемого активного колеса-рыхлителя изменение движуНС силы Ff. в зависимости от тягового сопротивления выражается линей­ ной зависимостью. Характер зависимости показывает, что с увеличением тягового сопротивления происходит менее интенсивное возрастание движуп1ей силы. Например, увеличение тягового сопротивления до 0,9 кН, т.е.

в четьфе раза, вызывает B03pacTaFme формируемой активным колесомрыхлителем силы только в 1,35 раза.

Из диафаммы эффектов видно (см. рис. 4.1 и 4.2), что изменение угла установки кулачка активного колеса-рыхлителя оказывает меньнюе влия1ще на удельные затраты мощности, а значительно большее влияние оказывают на формирование движущей силы.

Результаты исследования показывают, что увеличение угла уста­ новки кулачка до 15°, как и уменьшение - до 5° вызывает уменьшение движущей силы. Рост силовых показателей происходит менее интенсивно, чем увеличение тягового сопротивления.

Рис. 4.5. Изменение энергетических показателей и движущей силы активного колеса-рыхлителя в зависимости от тягового сопротивления (при г = 26 см, Ь = 12 см, (р^.^„ =7,5', Л^ =6см и /;„,„ =6 см):

Таким образом, с точки зрения силовых показателей наиболее при­ емлемыми, для рассматриваемого активного колеса-рыхлителя (г = 26см, b = \2 см, h^ = 6см и Л^з^ = 6см), являются следующие значения: угол ус­ тановки кулачка (Ру^„, = 7,5, количество рыхлителей w = 40 HIT.

4.7. Влияние глубины обработки и режима работы (скорости дви­ жения) активных колес-рыхлителей на энергетические параметры После проведения серии опытов, в которой изменялась глубина об­ работки пассивных органов при неизменном режиме, были получены гра­ фики изменения составляющих баланса мопнюсти от глубины обработки пассивных рабочих органов (рис. 4.6). Также в этой серии были проведены опыты, при неизменной глубине обработки пассивных рабочих органов и изменяющемся режиме работы афегата, путем перехода от низшей пере­ дачи до наивысшей, офаничивающейся неустойчивой работой двигателя.

Резу;н.таты обработки экспериментальных данных представлены на рис.

4.7. Так как сила сопротивления маншны зависит от скорости движения афегата и от глубины обработки, то для лучп1ей сопоставимости значений составляющих баланса мощности, оси ординат отнесены к величине крю­ кового усилия (рис. 4.6).

На фафиках (рис. 4.6, 4.7) показаны кривые изменения мощности, развиваемой движителями энергосредства iV„,.,, мощности на самопере­ движение yV^, эффективной мощности двигателя N^. и буксования S, от­ несенные к крюковому усилию в зависимости от глубины хода окучников и скорости движения энергосредства.

Из фафика (рис. 4.6) видно, что с увеличением глубины обработки, составляющие баланса мощности меняются по кривой гиперболического типа.

Рис. 4.6. Изменение некоторых составляющих баланса мощности и буксования от глубины обработки почвы:

Рис. 4.7. Изменение некоторых составляющих баланса мощности от скорости движения экспериментальной устагювки:

при глубине обработки а = 8,5 - 9см;

при глубине обработки а = 11-12см.

Кривые на первой передаче энергосредства имеют большую выпук­ лость, чем на второй передаче, у которой, в свою очередь, она меньи1е, чем на третьей передаче. Это объясняется тем, что тяговая мон1ность изменяет­ ся Л Н Й Ю в зависимости от крюкового усилия (тяговая характеристика трактора) до тех пор, пока двигатель работает без перефузки, т.е. на регуляторной ветви регуляторной характеристики.

При перефузке двигатель снижает обороты и выходит на режим работы корректора. На корректурной ветви мощность падает, а крутящий момент, развиваемый двигателем, возрастает за счет дополнительного пе­ ремещения рейки топливного насоса и увеличения цикловой подачи топ­ лива с помощью корректора. За счет возросшего момента не происходит резкого изменения крюкового усилия трактора. Значит, отнонюние мопшости к крюковому усилию, на основании выше изложенного, уменьшится.

Таким образом, значение точек кривых составляюпщх баланса М0Н1Н0СТИ энергосредства, находящихся в зоне перефузок двигателя, все более уменьшаются с увеличением глубины обработки, стараясь как бы выпрямить кривую мощности. Двигатель находится в режиме перегрузки (рис. 4.6) на третьей передаче трактора, незначительная перефузка имеет­ ся также и на второй передаче.

Режим перефузки наступает при увеличении глубины обработки почвы болыне 8,2...8,8 см. Это видно из кривой удельного буксования {S/F,.,.)y которая изменяется по кривой гиперболического типа выпукло­ стью вниз. Удельное буксование уменьшается до глубины обработки рав­ ной 8,3 см (третья передача) и 8,6 см (вторая передача), а потом начинает возрастать. Возрастание кривой удельного буксование показывает режим перегрузки двигателя, так как буксование в зоне перефузки двигателя воз­ растает, а крюковое усилие меняется незначительно (тяговая характери­ стика трактора). По точке перегиба кривой удельного буксования опреде­ ляем оптимальную глубину обработки на заданной передаче трактора, так как в этой точке отношение буксования к крюковому усилию будет минимальным, следовательно, и потери мощности на буксование будет меньщими. Такой оптимальной глубиной обработки будет глубина обработки равной 8,5...9 см (2 и 3 передачах трактора, рис. 4.6).

Анализ графиков (рис. 4.7) показывает, что изменение составляю­ щих баланса мощности культиваторного агрегата с активными колесамирыхлителями при увеличении скорости движения происходит линейно до тех пор, пока двигатель находится в режиме соответствуюн^ем его нормшплюй работе. При перегрузке удельные мощности резко возрастают.

Это объясняется тем, что при работе двигателя на корректорной ветви регуляторной характеристики обороты двигателя падают, следовательно, уменьишется скорость движения культиваторного афегата. При уменьп1ении скорости движения и постоянной глубине обработки почвы сопротив­ ление культиватора падает по квадратичной зависимости (формула акаде­ мика В.П. Горячкина), а мощность, определяемая как произведение момен­ та развиваемого двигателем на частоту его врап1сния, уменьишется линей­ но, следовательно, отнощение мощности к крюковому усилию будет уменьшаться.

Из анализа фафиков (рис. 4.6, 4.7) можно сделать вывод, что опти­ мальным режимом работы для культиваторного агрегата с активными ко­ лесами-рыхлителями будет режим при глубине обработки почвы 8,5...9 см и скорости движения 6,8 км/ч, что соответствует режиму работы трактора на второй передаче.

4.8. Влияние крюкового усилия на тяговые и топливноэкономические показатели культиваторного агрегата Полное представление моицюстных и других показателей трактора дает тяговая характеристика. По своим возможностям она универсальна.

Тяговая характеристика лежит в основе расчета машинно-тракторных аг­ регатов, с её помоп1ЬЮ оценивают динамические и топливноэкономические показатели трактора, а также пригодность его использова­ ния в конкретных почвенно-климатических условиях различных зон стра­ ны.

На графиках (рис. 4.8) представлена неполная тяговая характери­ стика культиваторного агрегата с активными колесами-рыхлителями. Кри­ вые тяговой характеристики (рис. 4.8) выражают зависимость на каждой передаче трактора его поступательной скорости, тяговой мониюсти, часо­ вого расхода топлива, удельного тягового расхода топлива и буксования от силы тяги на крюке изменяющаяся от нуля (холостой ход трактора) до максимального значения. Тяговая мощность трактора на данной передаче но мере увеличения нафузки на крюке до известного предела возрастает.

Достигнув максимального значения, она с увеличением тягового усилия падает. Максимальное значение тяговой моншости культиваторного агре­ гата с активными колесами-рыхлителями с переходом на высшие скорости движения уменьшается, так как сцепление движителей было достаточным для решшзации полной мощности двигателя. На графике (рис. 4.8), макси­ мальное значение тяговой мощности составляет 11,0 кВт (третья переда­ ча).

На тяговой характеристике для каждой передачи есть две зоны: первая (до перегиба кривой мощности) отражает работу двигателя на регуляторе, вто­ рая (после точки перегиба) - на безрегуляторной ветви, соответствует перефузке двигателя. Перефузка двигателя культиваторного афегата с ак­ тивными колесами-рыхлителями наступает при увеличении нафузки на крюке (ТЯ10ВОГО усилия) вьине 5,3 кН (третья передача). При увеличении тягового усилия возрастает также буксование афегата. С повышением скорости движения буксование уменьшается. Наибольшее буксование от­ мечается на низших скоростях движения в зоне перефузок двигателя. Та­ кое буксование у культиваторного афегата с активными колесамирыхлителями было при крюковом усилии 5,48 кН, скорости движения 6, км/ч и составляло 6% (рис. 4.8).

QKP, г/кВши Рис. 4.8. Тяговая характеристика культиваториого агрегата с Часовой расход возрастает по мерс увеличения нагрузки на крюке.

В точке, соответствующей максимальной тяговой мощности, он достигает максимального значения. Затем часовой расход топлива при режиме пере­ грузки падает, в связи с тем, что количество рабочих циклов в двигателе уменьпшется из-за снижения числа оборотов двигателя. Часовой расход топлива имеет максимальное значение, которое составляет 4,08 кг/ч (тре­ тья передача). Удельный тяговый расход топлива с увеличением нафузки уменьшается и становится минимальным в точке максимшп>ной крюковой мощности. При нафузке двигателя культи ватерного афегата с активными колесами-рыхлителями удельный тяговый расход топлива возрастает.

Минимальный удельный тяговый расход топлива составляет 0,37 кг/кВт-ч (третья передача).

На графиках (рис. 4.9) показан теоретический (сплошные линии) и полученный в результате экспериментов (штриховые линии) баланс мощ­ ности культиваторного афегата с активными колесами-рыхлителями. Тео­ ретические кривые получены по выражениям (2.63), (2.73) (коэффициент сопротивления качению принят равным 0,10). Характер изменения теоре­ тических и экспериментальных кривых одинаков. В численных значениях параметров есть некоторые расхождения. У тяговой (крюковой мощности) и потерь мощности на буксование расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями незначительны и составляют 1...2,5%.

Это можно объяснить тем, что при теоретическом определении моишости на самопередвижение коэффициент сопротивления качения был принят постоянным. Однако он зависит как от вида, состояния и свойств почвы (плотность, структура, влажность и т.д.), так и от конструкции движителей и их технического состояния.

В справочниках приводятся данные по коэффициенту сопротивле­ ния качению только для гусеничных и пневматических движителей. Испы­ тываемая экспериментальная установка сочетает в себе признаки этих двух движителей, т.к. при движении культиваторного афегата с активными колесами-рыхлителями, рыхлители колес-рыхлителей выполняют также роль почвозацепов, а ведущее колесо служит одновременно опорным колесом.

Таким образом, афегат перекатывается как на пневматической ишне, так и на колесах-рыхлителях. Мощность на самопередвижение составляет 10...30% эффективной мощности, поэтому расхождение между теоретиче­ скими и экспериментальными значениями мощности на самопередвижение не вызывают больших расхождений между теоретическими и эксперимен­ тальными значениями эффективной мощности, которые составляют 1,5...4,5%.

Анализируя графики (рис. 4.9), видно, что потери мощности в трансмиссии, а также крюковая и эффективная мощности возрастают по мере увеличения нафузки на крюке - линейно, до тех пор, пока двигатель работает в режиме, соответствующем его нормальной работе (регуляторная ветвь). При перефузке двигателя афегата с активными колесамирыхлителями (рис. 4.9), составляющие баланса мощности уменьшаются, кроме мощности на буксование, которая возрастает в зоне перегрузок. По­ тери мощности на самопередвижение культиватор но го агрегата с актив­ ными колесами-рыхлителями уменьшается с увеличением крюкового уси­ лия, так как при этом растет буксование, а, следовательно, уменьшается поступательная скорость движения энергосредства. Мощность двигателя на холостом ходу (F^.,= 0) культиваторного афегата с активными колеса­ ми-рыхлителями расходуется на потери в силовой передаче и на качение трактора, что наглядно представлено на фафиках (рис. 4.9).

кВт Рис. 4.9. Баланс мощности агрегата с активными колесами-рыхлителями (вторая передача):

теоретический;

• экспериментальный.

4.9. Сравнительная оценка работы культи ватерного агрегата с активными колесами-рыхлителями и навесного культиватораокучника КОН-2,8Б Проведение сравнительной оценки работы культиватор но го афегата с активными колесами-рыхлителями и навесного культиватораокучника КОН-2,8Б исходило из задач исследования, в одной из которых ставилась цель по определению оптимального режима работы (на одина­ ковых почвенных фонах) как экспериментальной установки, так и афегата только с пассивными рабочими органами, выполняющему аналогичные функции в системе обработки почвы (навесной культиватор-окучник КОИГ>).

Зафузка двигателя трактора, работающего с навесным культивато­ ром-окучником осуществлялась также как и у афегата с активными коле­ сами-рыхлителями, непосредственно заглублением пассивных рабочих ор­ ганов ил увеличением скорости движения трактора путем перехода на по­ вышенную передачу.

Для сравнительной оценки работы были использованы следующие удельные показатели: погектарный расход топлива g„, удельные энергоза­ траты на физическую единицу выработки Q, производительность Ж, тя­ говый к.п.д. rjj. Вышеперечисленные показатели представлены графиче­ ски на рис, 4.10.

На рис. 4.10 представлены удельные показатели работы культиваторных афегатов с активными колесами-рыхлителями (сплоишые линии) и без них (пунктирные линии) при глубине обработки 8-9 см.

Qn.Kz/za Q, кВтч/za Рис. 4.10. Зависимость удельных показателей от скорости движения ai-регата с активными колесами-рыхлителями:

экспериментальный агрегат;

Оптимши.иый режим работы для сравниваемых агрегатов выбирали по их максимальному тяговому к.п.д., который выражает относительные потери мониюсти. Из анализа графиков (рис. 4.10) видно, что при работе относительные потери мощности у культиваторного агрегата без активных колес-рыхлителей, выше, чем у культиваторного агрегата с активными ко­ лесами-рыхлителями. Это объясняется тем, что потери мощности на бук­ сование у культиваторного афегата с активными колесами-рыхлителями ниже, чем у культиваторного афегата с пассивными рабочими органами, в связи с тем, что активные колеса-рыхлители обеспечивают снижение со­ противления пассивному рабочему органу и создают дополнительную движущую силу.

Максимальное значение тягового к.п.д. культиваторного афегата с активными колесами-рыхлителями составляет 62,6 %, что соответствует скорости движения афегата 6,8 км/ч, а для культиваторного афегата без активных колес-рыхлителей максимальное значение тягового к.п.д. ниже на 10,7 % при скорости движения афегата 5,7 км/ч.

С увеличением скорости движения афсгатов производительность растет линейно, пока двигатель работает в режиме регулятора. Производи­ тельность культиваторного афегата без активных колес-рыхлителей ниже производительности культиваторного афегата с активными колесамирыхлителями.

Удельные энергозатраты на физическую единицу выработки (рис.

4.10) соответствующие максимальному тяговому к.п.д. афегатов, у куль­ тиваторного афегата без активных колес-рыхлителей выше, чем у культи­ ваторного афегата с активными колесами-рыхлителями на 2 кВт-ч/га.