Повышение эффективности вспашки путем использования поворотного плуга с изменяемыми параметрами

На правах рукописи

Марнов Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСПАШКИ
ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОВОРОТНОГО ПЛУГА
С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Мичуринск-наукоград
2013

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН
Россельхозакадемии)

Научный руководитель: доктор технических наук
Зазуля Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Горшенин Василий Иванович,
доктор технических наук, профессор / ФГБОУ ВПО
«Мичуринский государственный аграрный
университет», кафедра «Тракторы
и сельскохозяйственные машины», заведующий

Афонин Александр Евгеньевич,
кандидат технических наук / ФГБОУ ВПО
«Самарская государственная сельскохозяйственная академия», директор НТЦ

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Пензенская государственная
сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «11» июля 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «9» июня 2013 г. и размещен на сайтах

www.vak.ed.gov.ru. и www/mgau.ru/

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент В.Ю. Ланцев

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Агротехническая целесообразность и доминирующая роль отвальной вспашки почв в вопросах активизации физических, биологических и химических процессов, повышении экологической безопасности и урожайности сельскохозяйственных культур доказана многочисленными научными исследованиями.

Дальнейшее повышение эффективности процесса связывается с разработкой новых технологий, совершенствованием конструкций и повышением потенциальных возможностей плугов, снижением энергозатрат за счёт оптимизации параметров и режимов работы агрегатов и стоимости плугов. Классические схемы плугов слабо приспособлены к выполнению работ прогрессивными методами и не обеспечивают требуемого качества.

Дооснащение плугов различного рода приспособлениями не приводит к значительному улучшению качества вспашки и вызывает повышение массы, энергозатрат, ухудшение маневренности агрегатов.

Асимметричность нагрузки на трактор со стороны плугов классической схемы обуславливает ограничение ширины его захвата до величины соответствующей поперечной базе трактора по причине нарушения устойчивости и прямолинейности движения агрегата. Стабилизация устойчивости плуга требует применения дополнительных устройств. Однако введение в конструкцию плуга, например полевой доски значительно увеличивает тяговое сопротивление плуга.

В связи с изложенным, для повышения эффективности отвальной вспашки необходима разработка эффективных технологий и технических средств, базирующихся на принципиально новых научных подходах и технических решениях.

Степень разработанности темы. Современной наукой используется технология гладкой вспашки, основанная на обороте почвенного пласта лево- правооборачивающими рабочими поверхностями плуга. Вспашка осуществляется оборотными плугами без образования свальных гребней и развальных борозд.

Повышенная масса и металлоёмкость оборотных плугов, высокая их стоимость, невозможность использование метода групповой работы агрегатов, по мнению учёных и практиков, снижает эффективность их использования. Кроме того, стабилизация устойчивости оборотных плугов с шириной захвата, превышающей величину продольной базы трактора, возможна лишь при движении передних и задних колёс трактора (левых или правых в зависимости от направления движения) по открытой борозде. Отечественные тракторы в силу отсутствия в их конструкции систем силового и позиционного регулирования плохо агрегатируются с зарубежными оборотными плугами. Последние в большей степени комплектуются винтовыми отвальными поверхностями, и их использование при вспашке старопахотных земель противоречит рекомендациям отечественных учёных.

Продолжительное время в нашей стране и за рубежом ведутся разработки по созданию фронтальных плугов для гладкой вспашки. Сложность конструкции рабочих агрегатов для укладки пласта в собственную борозду, ограничение глубины обработки, неудовлетворительная укладка и заделка растительных остатков ограничивают область их применения.

Одним из путей решения проблемы реализации гладкой вспашки является разработка поворотных плугов. По мнению учёных и практиков, поворотные плуги менее сложны и металлоёмки. Однако конструктивные исполнение рабочих органов не позволяет осуществлять качественный оборот и крошение пласта, полноту заделки растительных остатков.

В связи с этим, исследования связанные с разработкой (более совершенных) новых конструктивно-технологических схем плугов для гладкой вспашки, обоснование их параметров и режимов работы представляют актуальную научную задачу и имеют важное хозяйственное значение.

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.06.04 «Разработать улучшенную технологию основной обработки почвы и эскизный проект комбинированного агрегата», 09.01.03.04. «Разработать конструкторскую документацию и опытные образцы рабочих органов поворотного плуга для гладкой вспашки в системе сидерального земледелия», планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 2011-2015 гг.

Цель работы – обоснование параметров и режимов работы поворотного плуга, обеспечивающих повышение устойчивости плуга, снижение энергетических затрат и повышение производительности пахотных агрегатов.

Задачи исследований:

• разработать конструктивно-технологическую схему поворотного плуга для реализации гладкой вспашки с движением трактора и колес плуга вне борозды;
• обосновать параметры и режимы работы поворотного плуга, обеспечивающие требуемые показатели качества, энергозатрат и устойчивость движения плуга и трактора с учетом их конструктивных особенностей;
• разработать теоретические зависимости по определению требуемой силы тяги поворотного плуга и выявить характер изменения тягового сопротивления в пределах заданных параметров и режимов работы;
• экспериментально подтвердить правомерность результатов теоретических исследований и выявить влияние технологических режимов, параметров плуга и трактора на эксплуатационно-технологические показатели и качество выполнения работ;
• дать технико-экономическую оценку эффективности предложенных технических решений.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

• конструктивно-технологические схемы корпуса и поворотного плуга для гладкой вспашки (положительное решение по заявке №2012125297, заявка на изобретение № 2012138513);
• аналитические зависимости для расчета параметров и режимов работы поворотного плуга;
• аналитические зависимости для расчета требуемой силы тяги плуга с учетом варьирования установочных параметров и устойчивости его движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические зависимости, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать параметры и режимы работы поворотных плугов, определить энергозатраты на осуществление гладкой вспашки с учетом условий работы агрегатов, физико-механических свойств почвы.

Поворотный плуг позволяет повысить производительность пахотного агрегата на 10...12 % при одновременном снижении погектарного расхода топлива в среднем на 7...8 % (22,8 кг/га вместо 24,2 кг/га).

Сокращение непроизводительных затрат времени при использовании поворотного плуга обеспечило рост коэффициента использования сменного времени с 0,72 до 0,81. Опытные образцы поворотного плуга прошли апробацию в ООО «Ленина» Ржаксинского района Тамбовской области при возделывании зерновых и зернобобовых культур.

Разработан проект исходных требований на разработку поворотного плуга для гладкой вспашки и конструкторская документация на его изготовление.

Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, предприятиям и организациям, занимающимся разработкой новых технических средств для обработки почвы, ВУЗам – при подготовке агроинженеров.

Объект исследований: технологический процесс основной обработки почвы поворотными плугами, параметры и режимы работы поворотных плугов и рабочих органов.

Предмет исследований: закономерности изменения показателей качества и топливно-энергетических затрат пахотных агрегатов с поворотными плугами.

Аналитические исследования рабочих органов выполнены с использованием методов классической механики, математики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных, лабораторно-полевых и эксплуатационных условиях в соответствии с ОСТами, ГОСТами и частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена с использованием статистических методов с применением компьютеров.

Положения, выносимые на защиту:

Результаты теоретических исследований по обоснованию параметров и режимов работы плуга, определению энергозатрат на реализацию гладкой вспашки с учетом уровня варьирования параметров.

Результаты экспериментальных исследований и сравнительных испытаний плугов.

Технико-экономическое обоснование эффективности предложенных технических решений по совершенствованию поворотного плуга и корпуса для реализации гладкой вспашки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• применением современной контрольно-измерительной и вычислительной техники;
• объемом экспериментальных исследований;
• согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены и обсуждены: на заседании Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (2009, 2010 гг.), на заседаниях Ученого Совета ГНУ ВНИИТиН (2009-2012 гг.), на заседаниях научно-технических советов ООО НТЦ «Аграрник» (г. Тамбов), фирмы Квернеланд (представительство – г. Зеленоград Московская область) (2010, 2011 гг.), на Всероссийской и Международных научно-практических конференциях:

на Всероссийской научно-практической конференции 6-8 февраля 2008 г., «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» ГСХА, г. Ульяновск;

на Международной научно-практической конференции 20-22 мая 2008 г., «Актуальные вопросы аграрной науки и образования», ГСХА, г. Ульяновск;

на ХV международной научно-практической конференции 18-19 сентября 2009 года «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов;

на XVI Международной научно-практической конференции 20-21 сентября 2011 г. «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции. Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, г. Тамбов.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей общим объемом 2 печатных листа, из них лично соискателю принадлежат 1,3 п.л., в том числе 5 статей – в изданиях, поименованных в «Перечне ведущих журналов и изданий» ВАК РФ, 4 статьи опубликованы в сборниках научных трудов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц, 47 рисунка, 5 приложений. Список литературы включает 152 наименования.

Содержание работы

Во введении отмечена агротехническая целесообразность и доминирующая роль отвальной вспашки, актуальность, степень разработанности темы и её связь с заданиями Россельхозакадемии по совершенствованию технологий и технических средств, цель и задачи исследований, научная, техническая новизна, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» отмечены основные научные положения в области развития технологий основной обработки почвы и создания научных основ проектирования конструкций плугов, рабочих органов и поверхностей, заложенные известными российскими учёными: В.П. Горячкиным, П.Н. Бурченко, В.В. Бледных, В.М. Бойковым, Л.В. Гячевым, В.М. Мацепуро, Г.Н. Синеоковым, В.А. Сакуном, А.К. Кострицыным, Ю.В. Новиковым, В.А. Лаврухиным, М.Д. Подскребко, В.А. Желиговским и др. В результате исследований сформировались теоретические основы и методология совершенствования отвальных плугов.

Существенный вклад в разработку процессов вспашки и конструкций отвальных плугов внесли А.Е. Афонин, Горшенин В.И., С.Н. Киселёв, В.А. Николаев, А.Н. Степанов, Б.В. Михайлов, П.В. Мишин, В.А. Творогов, Е.А. Максимов, А.Н. Зазуля, Ю.А. Тырнов, Я.П. Лобачевский, Н.Е. Рыжих и др.

По результатам обзора и анализа научных исследований выявлена эффективность гладкой вспашки. Установлено, что данный процесс реализуется в основном оборотными плугами. Получают дальнейшее применение, в силу меньшей металлоёмкости, поворотные плуги, над улучшением конструкций которых российские научные и конструкторские организации работают. На основе патентного поиска выявлены основные недостатки технических решений заложенных в конструкции поворотных плугов, особенно в части снижения вредных сопротивлений.

Установлено, что для снижения доли вредных сопротивлений необходимо уменьшать вес плуга, а также сопротивления на перекатывание колёс, величину смятия стенки борозды полевыми досками и обеспечить устойчивость движения пахотных агрегатов. Наиболее целесообразно в целях обеспечения устойчивости совместить направление линии тяги с направлением движения агрегата и осью симметрии трактора.

Устойчивость пахотного агрегата может быть обеспечена симметричной нагрузкой и силой тяги, отрывающей корпуса плуга от стенки борозды.
В настоящее время нет достаточных данных об изменении и направлении действия равнодействующих сил при симметричной и асимметричной нагрузках, поэтому аналитически невозможно установить длину тягового бруса плуга и точку его соединения с трактором.

В литературных источниках недостаточно полно отражены вопросы обеспечения устойчивости пахотных агрегатов с учётом особенностей конструкций тракторов, плугов и их элементов. Исследования в основном направлены на углубленное изучение уже известных решений.

На основе научного обзора и патентного поиска сформулированы основные признаки и выполнена классификация, обосновано научное направление по созданию поворотных плугов, рисунок 1.

Рисунок 1 – Классификация лемешных отвальных плугов отечественного
и импортного производства для вспашки старопахотных земель.

В соответствии с результатами научного обзора работ и принятой классификацией сформулированы задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретические исследования» обоснованы основные технические и технологические требования к конструкции поворотного плуга и корпуса с изменяемыми параметрами, заявлена и подтверждена техническая новизна конструктивно-технологических схем, рисунки 2, 3, дано теоретическое обоснование условий равновесия и сохранения устойчивости корпуса, обоснованы технологические параметры корпуса при изменении настроек, представлены результаты теоретических исследований по обоснованию силы тяги и тягового сопротивления поворотного плуга с изменяемыми параметрами.

Устойчивость хода корпуса зависит от соотношения значений и направлений действующих на него сил. Условие равновесия корпуса в горизонтальной плоскости соблюдается при равенстве суммы действующих сил и суммы моментов сил нулю. При этом равнодействующая всех сил действующих на корпус должна проходить через мгновенный центр вращения.

Разработанный плужный корпус, рисунок 3, включает установленные на поворотной стойке под углом друг к другу отвалы с крыльями левого и правого оборота пласта, лемеха левый и правый, которые образуют комбинированные лемешно-отвальные поверхности. К нижнему основанию стойки прикреплён башмак в виде равностороннего треугольника, через ортоцентр которого проходит мгновенный центр вращения корпуса.

Схема сил действующих на корпус в горизонтальной плоскости представлена на рисунке 4а.

Из условия равенства суммы моментов, сил сопротивления левой и правой части сблокированного корпуса в горизонтальной плоскости относительно некоторой точки 0 уравнение равновесия имеет вид:

(1)

(2)

где Rл – равнодействующая сил Rхп, Rул, действующих на левую часть сблокированного корпуса, кН; Rп – равнодействующая сил Rхп, Rуп, действующих на правую часть сблокированного корпуса, кН; Lл – плечо силы Rул, м; Lп – плечо силы Rуп, м; л, п – углы между направлением движения и действием сил Rл, Rп, соответственно, град (л=п); 0, 1 – угол постановки правого и левого лемеха к стенке дна борозды, соответственно, град; 01 – ортоцентр; вл, вп – ширина захвата левого и правого лемеха, соответственно, м; l1, l2 – плечо приложения сил Rл и Rп от оси «Х» (l2 – определено согласно, а l1 – из условия пересечения сил Rл и Rп в точке ортоцентра), м. Полученное выражение (2) позволяет проводить силовой анализ корпуса плуга, а также технологические параметры его работы.

а б