Методика определения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих агрегатов с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов



В статье изложена разработанная авторами методика определения энергетических и технологических параметров почвообрабатывающих с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов. В качестве энерготехнологических параметров рассмотрены твердость почвы, площадь фронтальной проекции рабочих органов, коэффициент террадинамического сопротивления, удельное и тяговое сопротивление, коэффициент вариации нагрузки и потребная мощность почвообрабатывающих машин. Приведены примеры расчета энерготехнологических параметров агрегата для глубокого рыхления почвы.

Ключевые слова: твердость почвы, площадь фронтальной проекции, коэффициент террадинамического сопротивления, тяговое сопротивление, коэффициент вариации, потребная мощность, глубокое рыхление почвы

Твердость почвы определяет степень её уплотненности и агрономическую пригодность для возделывания сельскохозяйственных культур. Твердость почвы зависит от ее гранулометрического состава, структуры, увлажненности, состава поглощенных оснований и от количества органических веществ. Твердость почвы определяет технологическую характеристику почвы, то есть ее сопротивление обработке. При высокой твердости почвы требуется большие затраты энергии на ее обработку, затрудняется прорастание семян, корни плохо проникают в почву. Твердость почвы играет определенную роль в формировании величины урожая сельскохозяйственных культур.

Для определения твердости почвы применяют различные приборы, в том числе твердомеры Ревякина, ВИСХОМ, ИП232, Eijkelkamp P-1.50 и Р-1.52, пенетрометры ПГ-1, DICKEY–John и другие.

Рабочими органами в конструкциях известных твердомеров являются шток с плунжером. Длина штока эквивалентна глубине погружения плунжера в почву.

По форме плунжеры бывают цилиндрические, шарообразные (на сдавливание), в виде трехгранного клина и конические с различными углами при вершине (на расклинивание).

Среднее значение удельного сопротивления почвообрабатывающих машин в зависимости от колебания твердости почвы, формы и расположения рабочих органов и других производственных факторов изменяется в очень широких пределах.

В связи с этим в справочной литературе приводятся пределы средних значений удельного сопротивления сельскохозяйственных машин, в том числе и почвообрабатывающих, в зависимости от вида и способа обработки почвы, не зависимо от физико-механических ее свойств и зонального характера.

Общепринято, что фактическое значение удельного сопротивления конкретной почвообрабатывающей машины можно определить только экспериментальным путем.

Вместе с тем, так как твердость почвы определяет степень её уплотненности, в зависимости от нее с высокой вероятностью можно прогнозировать среднее значение удельного сопротивления почвообрабатывающей машины.

Предложенные нами математические модели, с учетом фактического значения твердости почвы в конкретных условиях работы, позволяют прогнозировать наиболее вероятные значения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих машин в агрегате с энергетическими средствами, что обеспечить рациональное агрегатирование и выбор наиболее эффективных режимов их работы.

При планировании и прогнозировании показателей оценки применяемых, а также проектировании новых почвообрабатывающих машин требуется расчет с применением вероятностных моделей, которые предусматривают учет вероятностных оценок (математических ожиданий, дисперсий, среднеквадратических отклонений и коэффициентов вариации) входных параметров (аргументов) [1, 3].

При расчете энерготехнологических параметров почвообрабатывающих агрегатов в качестве входного параметра в основном используют тяговое сопротивление (или тяговое усилие) или крутящий момент на валу двигателя.

Случайный (или вероятностный) характер изменения тягового сопротивления оказывает существенное влияние на выходные эксплуатационные показатели почвообрабатывающих агрегатов.

Степень изменения эксплуатационных показателей зависит от значения меры рассеяния (или коэффициента вариации) входного параметра — тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата.

До сих пор, точное значение коэффициента вариации нагрузки (тягового сопротивления) определяют экспериментальным путем.

При расчете и прогнозировании эксплуатационных показателей машинно-тракторных агрегатов (МТА) по вероятностным моделям задают фиксированные значения коэффициента вариации входного параметра. При этом фактические значения коэффициента вариации при определенных условиях функционирования МТА, могут быть совершенно другими. То есть, установление фактического значения коэффициента вариации нагрузки в определенных условиях функционирования МТА может существенно повысить точность расчетов значений эксплуатационных показателей агрегатов. Установление фактического значения коэффициента вариации нагрузки в определенных условиях функционирования МТА обеспечить точную настройку технических средств непрерывного контроля и учета работы агрегатов.

Вероятностный характер внешних воздействий в целом приводит к колебанию потребной мощности и других энерготехнологических параметров почвообрабатывающих агрегатов в достаточно широких пределах и их ухудшению [1–3].

На диапазон изменения потребной мощности почвообрабатывающих машин существенно влияют характеристика фона, физико-механические свойства почвы, коэффициент сцепления, коэффициент сопротивления качению и многие другие эксплуатационные факторы.

Традиционно конструкторов при создании новых почвообрабатывающих машин интересовала возможность снижения материалоемкости, себестоимости, повышения производительности и качества, а вопросы рационального их агрегатирования по значению потребной мощности рассматривались мало. Вследствие этого на сегодняшний день около 70–75 % сельскохозяйственных машин загружают двигатель на 34,5–87,5 %, а лишь 12–13 % машин — на 95 %.

Энергосбережение и энергоэффективность входят в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации. Научные основы обеспечения энергоэффективности и энергосбережения в технологических процессах и технологиях в растениеводстве с учетом вероятностных условий функционирования технических средств подробно изложены в трудах [1, 3].

В этой связи, при совершенствовании применяемых технических средств и проектировании новых машин с повышенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими их энергоэффективность, необходимо учитывать динамические свойства энергетических и технологических модулей. То есть технические средства необходимо рассматривать как сложную динамическую систему.

Ранее нами был разработан алгоритм определения технологических параметров энергоэффективных почвообрабатывающих машин блочно-модульной структуры [4]. Предлагаемая методика включает в себя порядок определения энергетических и технологических параметров почвообрабатывающих агрегатов с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов.

Ниже приводим методику определения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих агрегатов с примерами расчета на примере конкретного МТА для глубокого рыхления почвы.

1. Определение твердости почвы (кг/см²). Средняя твердость почвы на различных глубинах определяется по общеизвестной методике твердомерами (пенетрометрами). В среднем количество измерений по всему полю должно быть не менее 30.
2. Определение площади фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины. Площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы (м²) определяется экспериментальным методом.
3. Определение коэффициента террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины.

Коэффициент террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины определяется по формуле [5]:

; (1)

скорость напора (или динамическое давление) — величина кинетической энергии, имеющая размерность давления; скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с; твердость (плотность) почвы (кг/см²).

4. Определение удельного сопротивления почвообрабатывающей машины.

Удельное сопротивление (кН/м) почвообрабатывающей машины определяется по формуле:

, (2)

где коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов. Коэффициент зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы; твердость почвы, кг/см²; глубина обработки почвы, см; площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, см²; рабочая ширина захвата почвообрабатывающей машины, м.

5. Определение тягового сопротивления почвообрабатывающей машины. Тяговое сопротивление (кН) почвообрабатывающей машины можно подсчитать по формуле:

. (3)

6. Определение среднего значения коэффициента вариации тягового сопротивления.

Среднее значение коэффициента вариации тягового сопротивления определяется по формуле:

. (4)

7. Определение скорости напора.

Скорость напора (динамического давления) можно определить по формуле:

, (5)

где твердость почвы, кг/см²; скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с.

8. Определение потребной мощности, необходимой для преодоления террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины.

Потребная мощность, необходимая для преодоления террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины, пропорционально кубу скорости ее движения и определяется по формуле:

. (6)

Ниже приводим расчет энерготехнологических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов для разработанного нами в ИАЭП универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 [6] в модификации глубокого рыхления почвы с использованием научных основ [7] синтеза машин и принципов [8] прогнозирования их эксплуатационных показателей.

1. Определение твердости почвы (кг/см²). Средняя твердость почвы на различных глубинах определяется по общеизвестной методике твердомерами (пенетрометрами). В среднем количество измерений по всему полю должно быть не менее 30. Твердость почвы измеряли на глубине 0–10, 10–20, 20–30 и 30–40 см пенетрометром DICKEY–John. Шкала пенетрометра DICKEY–John показывает величину твердости почвы в МПа. Для перевода МПа в кг/см² нами ранее была разработана номограмма [9] (рисунок 1).
2. Определение площади фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины. Площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы (м²) определяется экспериментальным методом.

Сначала определяем площадь фронтальной проекции одного рабочего органа для глубокого рыхления почвы согласно рабочим чертежам.

Расчеты показывают, что площадь фронтальной проекции одного рабочего органа для глубокого рыхления почвы при угле установки стойки 81⁰ и угла крошения долота 21⁰ при глубине обработки равняется .

Общая площадь фронтальной проекции рабочих органов УКПА-2,4 для глубокого рыхления при глубине обработки почвы составляет .

Ниже приводим среднее значение твердости почвы до проведения технологической операции глубокого рыхления (таблица 1).

Таблица 1

Глубина измерения исреднее значение твердости почвы

Глубина измерения твердости почвы, см	Твердость почвы, МПа	Твердость почвы, кг/см2
0–10	0,73	7,3
10–20	1,10	11,0
20–30	1,33	13,3
30–40	2,07	20,7

3. Определение коэффициента террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины.

По результатам исследований были определены среднее значение тягового усилия глубокорыхлителя УКПА-2,4 при различных скоростных режимах его работы (таблица 2).

Таблица 2

Средние значения тягового усилия УКПА-2,4 (количество рабочих органов— 7) при глубоком рыхлении почвы (рабочие органы установлены в 2 ряда, глубина обработки фактическая средняя , угол установки стойки рабочих органов 81⁰, угол крошения 21⁰)

Скорость движения МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН
1,13	23,48
1,47	24,11
1,95	25,65

Рис. 1. Номограмма для определения твердости почвы в английской, метрической и технической системах [9]

Определяем значение коэффициента террадинамического сопротивления УКПА-2,4 [6] для глубокого рыхления почвы при твердости почвы , площадь фронтальной проекции рабочих органов , скорости движения и тягового усилия 2565,0кг (25,65 кН):

;

где тяговое усилие, кг; площадь фронтальной проекции рабочих органов, см²; скорость напора (или динамическое давление) — величина кинетической энергии, имеющая размерность давления; скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с; твердость (плотность) почвы (кг/см²).

При расчетах твердость почвы принимаем 20,7 кг/см² на глубине 30–40 см. Это с учетом того, что при глубоком рыхлении наибольшее сопротивление происходит на этой глубине, а на более верхних слоях почвы происходит дальнейшее крошение почвы, после ее разрушения и рыхления.

4. Определение удельного сопротивления почвообрабатывающей машины.

Удельное сопротивление (кг/м) почвообрабатывающей машины:

,

где коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов. Коэффициент зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы; твердость почвы, кг/см²; скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с; площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, см²; рабочая ширина захвата почвообрабатывающей машины, м.

5. Определение тягового сопротивления почвообрабатывающей машины. С учетом выше приведенных расчетов, тяговое сопротивление УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы (при твердости почвы , площадь фронтальной проекции рабочих органов , скорости движения) равно:

.

6. Определение среднего значения коэффициента вариации тягового сопротивления.

Среднее значение коэффициента вариации тягового сопротивления равно:

.

или ,

где ; ; .

7. Определение потребной мощности, необходимой для преодоления террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины.

Потребная мощность, необходимая для преодоления террадинамического сопротивления почвообрабатывающей машины, пропорционально кубу скорости ее движения, равна:

,

где — поправочный коэффициент;

— площадьфронтальной проекции рабочих органов.

В таблице 3 приведены результаты расчетов энергетических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы.

Таблица 3

Результаты расчетов энергетических параметров сучетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 вмодификации глубокого рыхления почвы (угол установки стойки рабочих органов 81⁰, угол крошения 21⁰)

1,13	23,48	0,1914	1213,79	0,1575	26,53
1,47	24,11	0,1161	1255,16	0,1586	35,44
1,95	25,65	0,0702	1335,49	0,1586	50,0

На рисунке 2 показаны зависимости энерготехнологических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы от скорости его движения.

Используя эмпирические данные (таблица 3 и рисунок 2) были установлены закономерности изменения энергетических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы от скорости его движения (таблица 4).

Рис. 2. Зависимости энергетических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы от скорости его движения (угол установки стойки рабочих органов 81⁰, угол крошения 21⁰, глубина обработки фактическая средняя )

По изложенной выше методике также были проведены расчеты энергетических параметров УКПА-2,4 при глубоком рыхлении почвы (7 рабочих органов, установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда, угол крошения 30⁰, угол установки стойки рабочих органов 90⁰).

Таблица 4

Эмпирические зависимости энергетических параметров сучетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 вмодификации глубокого рыхления почвы (угол установки стойки рабочих органов 81⁰, угол крошения 21⁰)

Параметр	Расчетная формула
Тяговое усилие
Коэффициент террадинамического сопротивления агрегата
Удельное сопротивление агрегата
Коэффициент вариации нагрузки
Потребная мощность почвообрабатывающей машины

В таблице 5 приведены средние значения тягового усилия УКПА-2,4 при глубоком рыхлении почвы (7 рабочих органов, установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда, угол крошения 30⁰, угол установки стойки рабочих органов 90⁰).

Таблица 5

Средние значения тягового усилия при глубоком рыхлении почвы (7 рабочих органов, установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда, угол крошения 30⁰, угол установки стойки рабочих органов 90⁰)

Скорость движения МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН
1,10	37,81
1,35	38,43
1,64	39,15

В таблице 6 приведены результаты расчетов энергетических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы (угол установки стойки рабочих органов 90⁰, угол крошения 30⁰).

Таблица 6

Результаты расчетов энергетических параметров сучетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 вмодификации глубокого рыхления почвы (угол установки стойки рабочих органов 90⁰, угол крошения 30⁰)

1,10	37,81	0,2964	1969,08	0,1662	41,60
1,35	38,43	0,20	2001,23	0,1661	51,88
1,64	39,15	0,1383	2042,25	0,1664	64,21

На рисунке 3 показаны зависимости энергетических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы от скорости его движения.

Рис. 3. Зависимости энергетических параметров с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы от скорости его движения (1 — угол установки стойки рабочих органов 90⁰, угол крошения 30⁰, глубина обработки ; 2 — угол установки стойки рабочих органов 81⁰, угол крошения 21⁰, установочная глубина обработки почвы )

На основе экспериментальных данных (таблица 6) с использованием интерполяционной формулы Лагранжа были установлены эмпирические зависимости (таблица 7) энергетических параметров универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 в модификации глубокого рыхления почвы с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов (при угле установки стойки рабочих органов на 90⁰ и угла крошения долота 30⁰).

Таблица 7

Эмпирические зависимости энергетических параметров сучетом террадинамического сопротивления рабочих органов универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 вмодификации глубокого рыхления почвы (угол установки стойки рабочих органов 90⁰, угол крошения 30⁰)

Параметр	Расчетная формула
Тяговое усилие
Коэффициент террадинамического сопротивления агрегата
Удельное сопротивление агрегата
Коэффициент вариации нагрузки
Потребная мощность почвообрабатывающего агрегата

Данные таблиц 3 и 6, зависимости, представленные на рисунках 2 и 3 показывают, что с увеличением скорости движения почвообрабатывающего агрегата значения коэффициента террадинамического сопротивления уменьшаются, а тяговое усилие и потребная мощность увеличиваются.

Анализ формулы (1) показывает, что причиной снижения коэффициента свозрастанием скорости движения является более интенсивное повышение скорости напора на рабочие органы почвообрабатывающей машины, по сравнению с тяговым усилием . Интенсивность возрастания тягового усилия искорости напора от скорости движения почвообрабатывающей машины УКПА-2,4 (таблица 6) наглядно представлена на рисунке 4.

Таблица 8

Значения скорости напора (динамического давления) итягового усилия УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы при различных скоростных режимах его работы

Скорость движения , м/с	Скорость напора , кг/см2	Тяговое усилие , кН
1,13	26,43	23,48
1,47	44,73	24,11
1,95	78,71	25,65

Рис. 4. Зависимости тягового усилия идинамического давления от скорости движения почвообрабатывающей машины УКПА-2,4 (угол установки стойки рабочих органов 81⁰, угол крошения 21⁰, установочная глубина обработки почвы )

Интенсивность возрастания параметров и можно определить по степени их чувствительности, к скорости движения почвообрабатывающего агрегата, судя по значению тангенса угла их наклона по данным таблицы 8 и зависимостей рисунка 4.

Для тягового усилия :

.

Для скорости напора :

.

Зависимости, показанные на рисунке 4, свидетельствуют о том, что с повышением скорости движения почвообрабатывающего агрегата, тяговое усилие и динамическое давление увеличиваются.

При этом, с повышением скорости движения с 1,13 до 1,95 м/с, скорость напора на рабочие органы для глубокого рыхления УКПА-2,4 возрастает в 24 раза быстрее, чем тяговое усилие агрегата. То есть, скорость напора в 24 раза чувствительнее к скорости движения агрегата, чем тяговое усилие.

Предложенная нами методика позволяет рассчитать энерготехнологические параметры, в том числе и рациональную потребную мощность почвообрабатывающих машин с учётом их динамических характеристик, обеспечивающих повышение энергетической эффективности технологических процессов обработки почвы.

Литература:

1. Джабборов Н. И.Основы топливно-энергетической оценки и прогнозирования эффективности технологий и мобильных сельскохозяйственных агрегатов: автореф. дисс. … докт. техн. наук. — СПб. — Пушкин, 1998. -38 с.
2. Джабборов Н. И., Федькин Д. С. Основы оценки энергоэффективности технологических процессов и технических средств обработки почвы //Молочнохозяйственный вестник. 2014. № 4 (16). — С.76–83.
3. Джабборов Н. И.,Эвиев В. А.Эффективность использование техники по топливно-энергетическим затратам //Тракторы и сельскохозяйственные машины.-2005. -№ 4. — С. 26–28.
4. Джабборов Н. И., Добринов А. В., Федькин Д. С. Алгоритм определения технологических параметров энергоэффективных почвообрабатывающих машин блочно-модульной структуры //Сборник научных трудов ИАЭП «Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства», том 86, 2015г. — С. 19–33.
5. Джабборов Н. И., Федькин Д. С. Террадинамика почвообрабатывающих машин //Научный журнал «Молодой ученый, № 11 (91), 2015. — С. 311–315.
6. Джабборов Н. И., Добринов А. В., Лобанов А. В., Федькин Д. С., Евсеева С. П. Комбинированный почвообрабатывающий агрегат. Патент на полезную модель РФ № 130473. Заявка № 2013104360. Приоритет модели 01 февраля 2013 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 июля 2013 г.
7. Добринов А. В.,Джабборов Н. И., Дементьев А. М., Евсеева С. П., Лобанов А. В. и др. «Разработать научные основы синтеза высокопроизводительной техники для обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур с прогнозированием эксплуатационных показателей и экспериментальный образец многооперационного агрегата блочно-модульной структуры» //ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, Заключительный отчет о НИР за 2006–2010 гг., № госрегистрации 01200852548; Инвентарный № 022.011.00447. — СПб-Павловск. — 67 с.
8. Добринов А. В., Джабборов Н. И., Дементьев А. М. Научные принципы прогнозирования эксплуатационных показателей и расчет конструктивных параметров почвообрабатывающе-посевных агрегатов на стадиях проектирования и эксплуатации //Экология и сельскохозяйственная техника: Материалы VI Международной научно-практической конференции. — Санкт-Петербург, 2009. — С. 72–79.
9. Джабборов Н. И., Федькин Д. С., Ахмадов Б. Р. Номограмма для определения твердости почвы по результатам измерений посредством пенетрометра DICKEY-john //Материалы международной научно-практической конференции на тему «Актуальные проблемы, перспективы развития сельского хозяйства для обеспечения продовольственной безопасности Таджикистана», посвященной 80-летию образования Института земледелия Таджикской академии сельскохозяйственных наук и 20-летию XYI-й сессии Верховного Совета Республики Таджикистан, 18–19 сентября 2012 года, том YII. — С. 207–209.