РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ПЛУГА ОБЩЕГО

Анализируя схему (см. рис. 5), можно заключить, что комбинация, состоящая из корпусов плуга и стрельчатых лап, будет выполнять энергосберегающий технологический процесс (см. рис. 2) с качеством, которое не соответствует агротехническим требованиям к основной обработке почвы, вследствие большой ширины захвата стрельчатой лапы (b2 = 0,4 м). Известно, что на взаимодействие полевой доски отвального корпуса со стенкой обрабатываемого пласта почвы приходится 20–25 % энергозатрат на реализацию технологического процесса основной обработки почвы. Поэтому целесообразно объединить корпус плуга с левым лемехом стрельчатой лапы (рис. 7). В этом случае полевая доска потеряет свое функциональное назначение, а уравновешивание и прямолинейность движения этого рабочего органа будут обеспечены левым лемехом стрельчатой лапы.

Тогда тяговое сопротивление комбинации, состоящей из корпуса лемешно-отвального плуга и части безотвального рабочего органа (сила тяжести , кН), с учетом энергозатрат, получаемых в результате исключения полевой доски:

(2)

Для уравновешивания и обеспечения прямолинейности движения комбинированного рабочего органа величины тягового сопротивления корпуса плуга и тягового сопротивления лемеха стрельчатой лапы должны удовлетворять условию = . Тогда ширина захвата лемеха стрельчатой лапы (b3) комбинированного рабочего органа:

(3)

В результате расчета установлено, что ширина захвата лемеха составляет 0,24–0,26 м. Принимаем ширину захвата комбинированного корпуса b4 = 0,65 м.

Комбинированный рабочий орган будет сохранять прямолинейное движение при условии (рис. 8):

Млев = Мправ, (4)

где Млев и Мправ – суммы моментов относительно точки А, действующих на левую и правую части комбинированного рабочего органа.

Выражение (4) с учетом действующих сил:

sin l2 + cos · 0,4 b3 =

= sin l1 + cos · 0,4 b1, (5)

где – угол между направлением действия силы , и направлением движения комбинированного рабочего органа; l2 – плечо силы Rлу, м; l1 – плечо силы Rку, м.

Из уравнения (5) выразим l2:

l2 = [ sin l1 + cos · 0,4 b1 – cos · 0,4b3 ] / sin . (6)

В результате расчетов величины плеча l2 смещение левого лемеха стрельчатой лапы относительно лемеха корпуса плуга комбинированного рабочего органа составит:

Удельное тяговое сопротивление комбинированного рабочего органа (см. рис. 8) будет определяться по формуле:

(7)

Анализ зависимостей (рис. 9) показывает, что удельное тяговое сопротивление комбинированного рабочего органа по отношению к удельному тяговому сопротивлению отвального корпуса при глубине обработки почвы 0,27 м на скорости 1,53 м/с меньше на 24,5 %, а на скорости 2,7 м/с – меньше на 29,2 %.

С учетом рис. 8 конструктивно-технологическая схема комбинированного рабочего органа будет иметь следующий вид (рис. 10).

Рис. 9. Зависимость удельного тягового сопротивления Ку от скорости : 1 – корпус плуга; 2 – комбинация отвального корпуса плуга и стрельчатой лапы; 3 – комбинированный рабочий орган

Рис. 10. Конструктивно-технологическая схема комбинированного рабочего органа: 1 – стойка; 2 – левый лемех; 3 – правый лемех; 4 – отвал; 5 – наральник; 6 – башмак

Основными параметрами рабочего органа, от которых зависят качество обработки и тяговое сопротивление, являются ширина захвата правого лемеха b1 = 0,4 м и ширина захвата левого лемеха b3 = 0,25 м. Угол крошения и углы постановки обоих лемехов 1 и 2, согласно многочисленным исследованиям корпусов лемешно-отвальных плугов и плоскорежущих лап, принимаем:  = 30; 1 = 2 = 45. Для правого лемеха использован серийный долотообразный самозатачивающийся лемех П-702, который устанавливается на лемешно-отвальные плуги общего назначения ПЛН-5-35, ПНЛ-8-40. Его длина 560 мм, а ширина 120 мм. Левый лемех изготовлен из лемеха П-702. Его длина 350 мм.

Длина отвала L5 определяется по выражению:

L5 = b1 / sin 3, (8)

где 3 – угол постановки отвала к направлению движения рабочего органа, град.

Высота отвала H1:

H1 = а + 2/3 аmax, (9)

где аmax – максимальная глубина обработки почвы, м.

Повышение степени крошения почвы, снижение залипания отвала и сохранение структуры почвы будет обеспечивать щель треугольной формы, у которой угол между спинкой правого лемеха и нижним обрезом отвала составит:

= аrcsin (sin h / L5), (10)

где h – расстояние между окончанием нижнего обреза отвала и окончанием спинки лемеха, м.

За основу конструктивно-технологической схемы нового плуга общего назначения принимаем схему плуга ПНЛ-8-40. Из условия практического равенства тяговых сопротивлений корпуса плуга ПНЛ-8-40 и комбинированного рабочего органа принимаем, что количество корпусов нового плуга должно соответствовать количеству корпусов ПНЛ-8-40.

Для эффективного уничтожения сорных растений и крошения почвы стрельчатые лапы плоскорезов-глубокорых­лителей устанавливаются на раме почвообрабатывающего орудия с перекрытием на 5–7 см. Тогда рабочая ширина захвата нового плуга составит 4,6 м (рис. 11).

Анализ схемы расстановки корпусов плуга ПНЛ-8-40 и схемы расстановки комбинированных корпусов показал, что ширина захвата нового плуга общего назначения в сравнении с шириной захвата плуга ПНЛ-8-40 будет увеличена на 30 %. При этом расстояние между первым и последним корпусами в направлении движения пахотного агрегата уменьшится на 22,5 %.

Зависимость удельного тягового сопротивления лемешно-отвального плуга ПНЛ-8-40 и нового плуга с учетом перекрытия соседних комбинированных рабочих органов представлена на рис. 12.

Анализ зависимостей (см. рис. 12) показал, что удельное тяговое сопротивление плуга с комбинированными рабочими органами по отношению к удельному тяговому сопротивлению плуга ПНЛ-8-40 при глубине обработки почвы 0,27 м на скорости 1,53 м/с меньше на 24,5 %, а на скорости 2,7 м/с меньше на 27,8 %.

Энергоемкость Э технологического процесса обработки почвы, выполняемой пахотным агрегатом с новым плугом:

(11)

где b4 – ширина захвата комбинированного корпуса, м.

Зависимость энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы, выполняемого пахотными агрегатами МТЗ-2522ДВ + ПНЛ-8-40 и МТЗ-2522ДВ + разработанный плуг от скорости их движения с учетом максимальной загрузки трактора представлена на рис. 13.

На основании представленных зависимостей можно заключить, что энергоемкость технологического процесса основной обработки почвы, выполняемого пахотным агрегатом МТЗ-2522 + + ПНЛ-8-40, на 25,128,2 % больше, чем энергоемкость технологического процесса основной обработки почвы, выполняемого пахотным агрегатом МТЗ-2522 + предлагаемый плуг.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа экспериментальных исследований с описанием соответствующего оборудования и методика исследований. При проведении лабораторно-полевых исследований на полях, находящихся в зоне деятельности ФГУ «Поволжская МИС» (Самарская обл.), и в хозяйствах Саратовской области руководствовались методиками Поволжской МИС и методиками, изложенными в ОСТ 10 4.1–2001, ОСТ 10 2.2–2002, ГОСТ 24057–88 «Испытания сельскохозяйственной техники». Условия проведения испытаний были определены согласно ГОСТ 20915–75.

В четвертом разделе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» приведены результаты лабораторно-полевых исследований энергосберегающего технологического процесса, определены качественные и энергетические показатели экспериментального плуга с комбинированными рабочими органами.

Лабораторно-полевые исследования разработанного технологического процесса основной обработки почвы проводились в 2007–2008 гг. на Поволжской МИС (Самарская область, Кинельский район, п. Усть-Кинельский) и на полях Поволжского НИИСС (Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства). Почва – чернозем обыкновенный среднесуглинистый. Влажность почвы в слое 0–30 см составляла 15,4–17,7 %, твердость – 2,0–4,0 МПа.

Исследования технологического процесса проводились с помощью пахотного агрегата, состоящего из экспериментального плуга ПБС-8У и трактора МТЗ-2522ДВ тягового класса 5.

В результате были получены следующие агротехнические показатели (табл. 1).

Таблица 1

Агротехнические показатели, полученные при лабораторно-полевых

исследованиях (пахотный агрегат МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У)

Показатель	Значение показателя
1	2
Ширина захвата, м	4,6
Скорость движения, м/с	2,13	2,55	1,83	2,22
Установочная глубина обработки, м	0,16		0,27
Глубина обработки
средняя, м	0,163	0,163	0,274	0,275
среднее квадратичное отклонение, ± м	0,009	0,008	0,009	0,009
коэффициент вариации, %	5,3	5,1	3,3	3,4

Окончание табл. 1

1	2
Ширина захвата плуга
средняя, м	4,3	4,3	4,5	4,5
среднее квадратичное отклонение, ± м	0,12	0,04	0,05	0,05
коэффициент вариации, %	2,7	1,0	1,1	1,1
отклонение фактической от установленной ширины захвата, ± %	5,9	6,8	2,6	2,8
Гребнистость поверхности пашни, м	0,083	0,083	0,084	0,083
Крошение почвы (размер фракций до 50 мм), %, не менее	84,5	80,4	75,4	75,5
Степень заделки растительных и пожнивных остатков, %, не менее	95,2	95,4	95,3	95,5
Глубина заделки растительных остатков, м, не менее	0,121	0,123	0,135	0,131
Забивание рабочих органов почвой и растительными остатками	Не наблюдалось

Из табл. 1 видно, что плуг общего назначения ПБС-8У выполняет энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы по всем агротехническим показателям, с качеством, удовлетворяющим агротехническим требованиям, предъявляемым к основной обработке почвы.

При обработке поля плугом ПБС-8У при ширине захвата 4,6 м, установочной глубине 27 см и скорости движения агрегата 8,0 км/ч был получен профиль обработанного слоя (рис. 14).

Рис. 14. Профиль обработанного слоя почвы и расположение стерни и растительных остатков после прохода плуга общего назначения ПБС-8У:

1 – дно обработанного слоя почвы; 2 – дневная поверхность обработанного поля; 3 – стерня и растительные остатки в горизонтальном положении

Анализ профиля показал, что стерня и растительные остатки были заделаны в пахотный слой почвы и находились на расстоянии 12–13 см от дневной поверхности обработанного поля. При этом стерня на этой глубине была в основном в горизонтальном положении. Ниже горизонта расположения стерни и растительных остатков пласт почвы находился в раскрошенном состоянии аналогично структуре почвы, получаемой в результате работы плоскорезов-глубокорыхлителей.

На рис. 15 представлены зависимости часовой производительности пахотного агрегата МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У от скорости движения агрегата на установочной глубине обработки 0,27 м.

Анализ показал, что экспериментальная и расчетная зависимости производительности пахотного агрегата МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У от скорости движения имеют одинаковую закономерность (см. рис. 15). При этом закономерность изменения зависимостей на основании критерия 2 согласуется с доверительной вероятностью 0,05.

Анализ зависимостей (рис. 16) удельной энергоемкости технологических процессов, выполняемых пахотными агрегатами МТЗ-2522ДВ + ПНЛ-8-40 и МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У, в функции скорости движения показал, что закономерность изменения теоретической удельной энергоемкости МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У (поз. 2) с высокой вероятностью совпадает с экспериментальной зависимостью (поз. 3).

Рис. 15. Зависимости часовой производительности Wч пахотных агрегатов от скорости движения: 1 теоретическая производительность МТЗ-2522 + ПНЛ-8-40; 2 теоретическая производительность МТЗ-2522 + ПБС-8У; 3 экспериментальная производительность МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У

Рис. 16. Зависимости удельной энергоемкости Э на выполнение технологического процесса основной обработки почвы плугами общего назначения от скорости движения пахотных агрегатов: 1 МТЗ-2522 + ПНЛ-8-40 (теоретическая); 2 МТЗ-2522 + ПБС-8У (теоретическая); 3 МТЗ-2522ДВ + ПБС-8У (экспериментальная)

В пятом разделе «Исследование эффективности применения разработанного плуга общего назначения и его экономическая оценка» представлены результаты исследования эффективности применения плуга ПБС-8У, результаты его внедрения и расчет экономической эффективности.

В табл. 2 приведены показатели экономической эффективности использования агрегатов К-701 + ПНЛ-8-40 и К-701 + ПБС-8У.

Таблица 2

Показатели экономической эффективности применения плуга

общего назначения ПБС-8У

	К-701 + ПНЛ-8-40	К-701 + ПБС-8У
Затраты труда, чел.-ч/га	0,52	0,43
Снижение затрат труда, %		17,3
Себестоимость работ, руб./га	1036,6	730,4
Снижение себестоимости технологии, %		29,5
Годовая экономия затрат на 1 плуг, руб.		337693
Срок окупаемости, лет		0,4