ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН С РОТАЦИОННЫМИ АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ

На правах рукописи

ЧАТКИН Михаил Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

С РОТАЦИОННЫМИ АКТИВНЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саранск – 2008

Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева»

Официальные оппоненты:

– доктор технических наук профессор Акимов А. П.;

– доктор технических наук профессор Матяшин Ю. И.;

– доктор технических наук профессор Бычков В. В.

Ведущая организация – Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ГНУ ВИМ)

Защита состоится 15 мая 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 в ГОУВПО "Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева" по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан ____ _____________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В. А. Комаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе остается острой проблема повышения качества выполнения технологических операций и эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА) при обработке почвы с использованием энергонасыщенных тракторов. Поэтому по-прежнему злободневны вопросы расширения применения ротационных почвообрабатывающих машин (РПМ) с активными рабочими органами (АРО) с приводом от механизма отбора мощности (МОМ) трактора. АРО небольшой массы выполняют технологические функции на скоростях, в 3…8 раз превышающих скорость МТА. Это значительно снижает затраты на перемещение «мертвых масс» агрегата, не участвующих в выполнении полезной работы. При этом составляющие технологических сопротивлений создают подталкивающее усилие, разгружая узкое звено в системе «почва – движитель трактора», повышая эффективность использования агрегата.

Стандартный подход к выбору конструктивно-технологических параметров АРО является причиной их высокой энергоемкости, низкой производительности, слабой надежности, что сдерживает их повсеместное применение. Поэтому изыскание путей сокращения энергетических, трудовых и материальных затрат при обработке почв с использованием приводных РПМ является актуальной и важной хозяйственной проблемой.

Другим не менее важным вопросом, связанным с созданием комбинированных РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями, негативно влияющим на качественные и технические показатели работы МТА, является отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для определенных условий функционирования, получения силовых, энергетических параметров.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» и соответствует научному направлению РАСХН по проблеме 09 «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса в сельском хозяйстве» (задание 09.01); региональной научно-технической программой «Агрокомплекс» (1986–1990 гг. и на период до 2000 г.); единым заказ-нарядом Министерства образования Российской Федерации по госбюджетным темам № 53/15–89 «Оптимизация технологических процессов и параметров почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами» и № 53/8–93 – «Повышение технического уровня ротационных почвообрабатывающих машин»; программой развития АПК Республики Мордовия до 2010 года.

Цель работы: повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин путем оптимизации конструктивно-технологических параметров ротационных активных рабочих органов по критериям качества выполнения работы, энергосбережения, динамической загруженности и устойчивости.

Предмет исследования: качественные и количественные взаимосвязи ротационных активных почвообрабатывающих рабочих органов с обрабатываемой средой с учетом специфических кинематических и динамических особенностей их работы в составе машинных агрегатов.

Объект исследования: активные ротационные рабочие органы фрез, бороздообразующие, гребнеобразующие лопасти с винтовыми режущими элементами, комбинированные почвообразующие машины.

Научную новизну работы составляют:

–классификация рабочих органов почвообрабатывающих машин по степени свободы движения;

– принципы оптимизации параметров формирования гребней при возделывании картофеля;

– методология, аналитические методы и программное обеспечение расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, их силовых и энергетических характеристик, оптимального угла установки лезвия ножа;

– математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;

– методика качественного анализа силового взаимодействия активных рабочих органов с почвой;

– аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие на стадии проектирования выявить и снизить энергозатраты на отбрасывание почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез;

– математические модели и технические решения по снижению пиковых динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;

– результаты экспериментальных исследований опытных образцов активных рабочих органов почвообрабатывающих машин;

Новизна разработанных технических решений подтверждается 9 авторскими свидетельствами и патентами на оборудование, рабочие органы и почвообрабатывающие машины.

Практическая ценность результатов исследования состоит в развитии научных основ земледельческой механики, методов и средств, с помощью которых можно разработать и получить:

– РПМ с улучшенными технологическими, динамическими и технико-экономическими характеристиками для предпосевной подготовки почвы, формирования гребней и междурядной обработки пропашных культур;

– комбинированный лемешно-отвальный плуг с активными лопастными предплужниками для вспашки склонов;

– расчетные параметры фрезбарабана, отражательного кожуха ротационной почвообрабатывающей машины для сплошной обработки почвы;

– оптимальные конструктивно-технологические параметры активных рабочих органов для формирования гребней, бороздообразования, работы в качестве предплужника и для поверхностной подготовки почвы;

– почвообрабатывающие фрезы с улучшенными динамическими характеристиками привода и с механическими аккумуляторами кинетической энергии.

Реализация результатов исследований осуществлялась путем использования научными организациями и производственными подразделениями, а именно: Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия (РМ) при разработке республиканских программ технического переоснащения АПК; ГНУ «Мордовский НИИ сельского хозяйства» (г. Саранск) при совершенствовании технологии и оборудования для выполнения полевых механизированных работ путем внедрения в его опытных хозяйствах комбинированного культиватора с универсальными рабочими органами для нарезки гребней и междурядной обработки посадок картофеля в ОНО ОПХ «Ялга» и плуга с активными предплужниками в ОНО ОПХ «1-е Мая»; ОАО «Авторемонтный завод “Саранский”» (г.

Саранск) при разработке новых рабочих органов и узлов сельскохозяйственных машин; применения в учебном процессе ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева», ФГОУВПО «Чувашская ГСХА», ФГОУВПО «Рязанская ГАТУ», ФГОУВПО «Самарская ГСХА» по направлению «Агроинженерия» при изучении дисциплин «Сельскохозяйственные машины», «Технологические машины и оборудование», раздела «Машины и оборудование в растениеводстве»; чтении лекционных курсов, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении курсовых и дипломных проектов, в создании новых математических моделей и разработке оригинальных активных рабочих органов, изучении процесса их взаимодействия с почвой.

Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении к работе.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях «Огаревские чтения» ГОУВПО «МГУ имени Н. П. Огарева» (Саранск, 1981 – 2007 гг.), на зональных научно-практических конференциях кафедр «Тракторы и автомобили» сельхозвузов Поволжья и Предуралья (Чебоксары, Рязань, Нижний Новгород, Пенза, 1983 – 2007 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (Саранск, 2002 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ доктора технических наук профессора В. И. Медведева, «Совершенствование технологий, средств механизации и технического обслуживания в АПК» (Чебоксары, 2003 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава Самарской ГСХА (Кинель, 1994, 1995 г.), научно-технической конференции «Долговечность и эксплуатацион­ная надежность материалов, элементов, изделий и конструкций» (Саранск, 1987 г.).; научно-технической конференции «Эффективность использования машиностроительного оборудования» (Саранск, 1991 г.); Международной научно-практической конференции «Совершенствование рабочих органов сельхозмашин и агрегатов» (Барнаул, 1994 г.); Международной научно-практической конференции памяти академика В. П. Горячкина (МГАУ, Москва, 1998 г.); республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса РМ» (Саранск, 2001 – 2007 гг.); на Международной научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (Саранск, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2004 г.); семинаре заведующих кафедрами сельскохозяйственных машин на тему «Совершенствование содержания и технологии обучения студентов по сельскохозяйственной технике» (Краснодар, 2005 г.); на научной сессии Россельхозакадемии (секция № 3) «Машинные технологии и техника нового поколения для интенсификации и экологизации земледелия» (Зерноград, 2006 г.).

Публикации. Всего автором по теме диссертации опубликовано 75 научных работ объемом 42,7 п.л., в том числе 61 статья в журналах и сборниках, 5 – в рекомендованных ВАК РФ, одна монография, получено 9 патентов и свидетельств об изобретениях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложения, изложена на 385 страницах, включает 16 таблиц, 131 рисунков и список литературы из 346 наименований.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Классификация почвообрабатывающих рабочих органов по степени свободы движения.
2. Оптимизационная модель формирования гребней, расчета ее параметров при возделывании картофеля и синтеза АРО с винтовыми элементами.
3. Методология, аналитические методы и программное обеспечение для расчета основных параметров и режимов работы оригинальных конструкций почвообрабатывающих ротационных активных рабочих органов с винтовыми элементами, силовые и энергетические характеристики АРО, фрезерных культиваторов различного функционального назначения и активного предплужника.
4. Математические модели и технические решения по снижению динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.
5. Модель взаимодействия активных рабочих органов с почвой.
6. Аналитические и экспериментальные зависимости по моделированию отбрасывания почвенных частиц активными рабочими органами почвообрабатывающих фрез, позволяющие на стадии проектирования выявлять и снижать энергозатраты на этот процесс.
7. Методы, математические модели и технические решения по снижению пиковых динамических нагрузок в системе привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин.
8. Результаты экспериментальных исследований оригинальных конструкций опытных образцов почвообрабатывающих машин.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемой темы, ее связь с государственными программами НИР, обосновано хозяйственное и научное значение проблемы, представлена информация о реализации результатов исследований и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние проблемы и основные задачи исследования» рассмотрены методологические основы прогнозирования и развития мобильных сельскохозяйственных агрегатов и систем, требования к обработке почвы и принципы классификации рабочих органов для выполнения технологических операций с использованием почвообрабатывающих машин с АРО с приводом от МОМ трактора. С целью оценки перспектив применения активных рабочих органов для выполнения различных технологических операций выявлены особенности основной обработки почвы на склонах и технологии возделывания картофеля на гребнях. Проведен обзор НИР по ротационным почвообрабатывающим машинам и предложена классификация почвообрабатывающих машин по степени свободы движения.

В большинстве МТА так называемые "мертвые" массы, которые не соприкасаются с обрабаты­ваемым материалом, составляют 85–95 % от их общей массы. Дальнейший рост производитель­ности МТА для обработки почвы должен обеспечиваться за счет интенсивного автономного перемещения исполни­тельных рабочих органов в пространстве по отношению к центру масс агрегата. При этом путь и скорость перемещения рабочих ор­ганов выше по сравнению с теми же параметрами центра масс агрегата. Этим условиям удовлетворяют почвообрабатывающие агрегаты с ротационными активными рабочими органами.

Исследования показывают, что по эффективности обработки, особенно тяжелых по механическому составу почв, РПМ не имеют равных и занимают особое место в системе подготовки почвы и обработке посевов пропашных культур. Кроме отличного выполнения своих технологических функций, они способствуют снижению тягового сопротивления движению агрегата. Наиболее перспективными являются комбинированные фрезерные почвообрабатывающие машины с пассивно-активными рабочими органами. Сдерживающими факторами повсеместного применения почвообрабатывающих фрез большинство исследователей считают высокую энергоемкость процесса фрезерования почв, большие динамические нагрузки элементов привода, снижающие технологическую и техническую надежность МОМ тракторов и самих машин. Поэтому РПМ используются в условиях, где для них нет альтернативы по эффективности обработки почвы.

В диссертации дано обоснование использования АРО при выполнении различных технологических операций обработки почвы. Наиболее проблематичной является работа почвообрабатывающих машин на склонах. Вопросами совершенствования рабочих органов и оценкой качества работы почвообрабатывающих машин на склонах занимались А. Т. Вагин, А. Ч. Хачатрян, В. И. Медведев, И. М. Панов, Л. Х. Ким, А. Д. Кормшиков, В. А. Лаврухин и др.

В результате анализа выявлены основные направления совершенствования машин для основной обработки почвы. Установлена возможность повышения качественных и технико-экономических показателей лемешно-отвального плуга на склоне путем оснащения активными предплужниками с приводом от МОМ трактора. Доказана целесообразность применения лопастных эллипсовидных активных рабочих органов с винтовыми элементами.

В технологии возделывания картофеля важное место отводится созданию условий для формирования урожая картофеля с использованием фрезерных почвообрабатывающих машин. С их помощью происходит образование гребней, междурядная обработка посадок. Однако вопросы формирования гребней определенных размеров в зависимости от почвенных условий остаются нерешенными.

В работах Б. А. Писарева, Д. В. Заикина, А. И. Замотаева рассматриваются приемы предпосадочной обработки почвы, в том числе гребневых технологий возделывания картофеля. Однако до настоящего времени нет однозначного подхода к обоснованию формы и параметров гребней в зависимости от условий возделывания, запрограммированной урожайности, размеров клубневых гнезд.

Отсутствие общепринятой методологии синтеза АРО для определенных условий их функционирования ставит проблему создания комбинированных РПМ нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателями. Это негативно влияет на качественные и технические показатели работы МТА и не позволяет получить на стадии проектирования силовые, энергетические параметры АРО. Предложен алгоритм их синтеза, которому предшествует изучение условий их функционирования и агротехнических требований к выполнению технологических операций.

Анализ применения РПМ показал недостаточные использование и изученность наиболее перспективных АРО, режущая или технологическая, транспортирующая часть которых содержит элементы винтовой поверхности. Из их многообразия мы выделили ножи с винтовыми и эллипсовидными рабочими элементами. Главная особенность этих рабочих органов – строгое математическое описание поверхностей и возможность получения зависимостей, содержащих конструктивные параметры, режимные характеристики АРО, упрощающие их проектирование. Изменяя конструктивные параметры ножей и режимы работы, можно получить различные по назначению рабочие органы.

Научной основой работ по совершенствованию процессов активной почвообработки с использованием фрезерных машин являются труды В. П. Горячкина, В. А. Желиговского, П. М. Василенко, А. Д. Далина, А. И. Тимофеева, В. И. Медведева, И. М. Панова, Н. Б. Бока, Ю. Ф. Новикова, А. Н. Гудкова, В. В. Кацыгина, Г. Н. Синеокова, В. И. Виноградова, А. С. Кушнарева, П. В. Павлова, П. Т. Бабий, В. А. Шмонина, М. Д. Подскребко, Ф. М. Канарева, Л. С. Зенина, О. С. Марченко, В. Зоне, Г. Бернацкий, Е. П. Яцука, И. М. Гринчука, Ю. И. Матяшина, А. И. Лещанкина, П. И. Макарова, В. В. Бычкова, А.П Акимова и др.