Для улучшения качественных и энергетических показателей работы дискового плуга была предложена его новая конструкция с комбинированным рабочим органом [1].
В программу проведения лабораторных исследований были включены эксперименты по определению качественных и энергетических показателей работы дискового плуга со свободно вращающимся дисковым рабочим органом и с принудительным вращением с частотой от 0 до 7 с-1. При этом изменялись угол атаки α в диапазоне от 25о до 55о с шагом 10о и угол наклона диска β в вертикальной плоскости диска от 5о до 15о с шагом 5о, скорость движения агрегата была постоянной и составляла 0,26 м/с, твердость почвы варьировалась и составляла 0,5; 0,9; 1,3 МПа при постоянной влажности 15-20%.
Лабораторная установка агрегатировалась с тяговой тележкой почвенного канала и подключалась к ее гидросистеме (рисунок 1). Перед началом серии опытов проводилась подготовка почвенного канала, которая заключалась в увлажнении почвы, рыхлении на глубину 35 см с целью равномерного распределения влаги и размельчения слежавшихся комков почвы, а также производилось выравнивание поверхности почвы отвалом тяговой тележки, лопатой и граблями.
После каждого прохода орудия производилось выравнивание и уплотнение почвы. Твердость замерялась прибором конструкции Ю.Ю. Ревякина через 1 м в шахматном порядке на глубину 20-30 см.
Рисунок 1 – Общий вид экспериментальной установки
В процессе проведения эксперимента определялся коэффициент оборачиваемости пласта почвы по осыпавшейся почве в борозду. Эти исследования проводились при помощи металлической рамки конструкции В.И. Вершинина (рисунок 2), которая оснащена тремя шкалами для измерения в трех плоскостях ZОY, ZОX, YОX профиля борозды [2] .
Рисунок 2 – Закладка кубиков с помощью металлической рамки В.И. Вершинина
Следующим этапом проведения исследований являлось определение перемещения почвенных частиц на различной глубине после прохода рабочего органа. С этой целью в зоне прохода дискового плуга выкапывалась траншея глубиной 20 см и шириной 60 см, в которую с помощью мерной рейки через каждые 3 см закладывался нижний ряд деревянных пронумерованных кубиков. Затем насыпался слой почвы, уплотнялся, с помощью металлической рамки в почвенном пласте выставлялся на глубину 15 см, и укладывался еще один слой пронумерованных деревянных кубиков. Так же производилась закладка еще трех слоев на глубине 10 и 5 см и на поверхности почвы (рисунок 2). Таким образом, пронумерованные кубики закладывались послойно и образовывали в почве пространственную решетку.
После каждого прохода дискового рабочего органа находили деревянные кубики путем снятия тонких слоев почвы в поперечной плоскости по ходу движения тележки. При нахождении кубика его координаты замерялись и заносились в таблицу, после чего продолжались поиски других кубиков. Повторность каждого опыта была трехкратной.
Кроме того, пред началом движения дискового рабочего органа на компьютере запускалась программа, считывающая и записывающая сигнал, приходящий от датчиков: первый отслеживал изменение давления рабочей жидкости в гидромагистрали; второй регистрировал тяговое сопротивление дискового рабочего органа.
По полученным значениям давления рабочей жидкости из выражения (1) определялась мощность
NH = QH * PH, (1)
где QH - номинальный расход рабочей жидкости, PH - номинальное давление рабочей жидкости на входе в гидродвигатель. Для привода дискового рабочего органа использовался гидромотор модели НПА-64, удельный расход жидкости которого составляет 64 см3/об.
В результате обработки экспериментальных исследований перемещения почвенных частиц после прохода плуга получены зависимости коэффициента оборачиваемости пласта от угла атаки диска (рисунок 3 а). Коэффициент оборачиваемости имеет линейную зависимость и возрастающий характер, при угле атаки α от 25…55° плавно возрастает от 0,5 до 0,78. При оснащении дискового рабочего органа отвалом зависимость коэффициента оборачиваемости пласта r от угла атаки α возрастает с 0,6 до 0,95 на промежутке от 25 до 55°.
Таким образом, при оснащении дискового плуга отвалом, коэффициент оборачиваемости пласта r возрастает в 1,3 раза.
а б
в
Рисунок 3– Зависимости коэффициента оборачиваемости пласта (а), поперечного смещения пласта (б) и мощности (в) от угла атаки диска
При увеличении угла атаки с 25…55° поперечное смещение пласта d прямолинейно возрастает от 0,22 до 0,53 м, при оснащении отвалом d возрастает с 0,25 до 0,55 м. В ходе обработки экспериментальных данных получили величину достоверности аппроксимации R2.
Таким образом при оснащении дискового плуга отвалом поперечное смешение пласта увеличивается что способствует лучшему образованию профиля борозды и меньшему осыпанию почвы.
Мощность, затрачиваемая на поступательное движение плуга при установленном отвале, возрастает с 2 до 6 кВт, а без отвала- с 1,8 до 5 кВт (рисунок 3б). Мощность, затрачиваемая на вращение диска плуга, возрастает с 1 до 2,5 кВт.
При увеличении вертикального угла наклона диска от 5 до 20° коэффициент оборачиваемости пласта практически не меняется и в среднем принимает значение 0,65, затем от 15 до 17º происходит резкое его снижение. При оснащении рабочего органа отвалом происходит увеличение коэффициента оборачиваемости пласта в 1,3 раза (рисунок 4а).
Мощность, затрачиваемая на вращение диска NВ, значительно не зависит от угла наклона, так как диск практически не меняет свою геометрию по отношению к продольному направлению. По этой же причине коэффициент оборачиваемости также практически не зависит от β. В то же время поступательная мощность NП для плуга с отвалом существенно возрастает при уменьшении β (рисунок 4б). Это связано с тем, что при отрицательных значениях угла β часть отвала находится ниже уровня почвы и отвал начинает дополнительно взаимодействовать с ней.
а б
Рисунок 4 – Зависимости коэффициента оборачиваемости пласта (а) и мощности (б) от вертикального угла наклона диска
График зависимости коэффициента оборачиваемости пласта принудительно вращающегося рабочего органа с установленным отвалом линейно возрастает с увеличением угловой скорости ω (рисунок 5а). Это можно объяснить тем, что с увеличением ω почвенные частицы со дна борозды поднимаются выше по диску, вследствие чего улучшается оборачиваемость.
Принудительное вращение диска приводит к улучшению качества обработки почвы. Целесообразно определить оптимальную скорость вращения диска, которая обеспечивает как высокое качество обработки почвы, так и низкие энергозатраты. На рисунке 5б приведены зависимости мощности от угловой скорости вращения рабочего органа, где мощностьNП, затрачиваемая на поступательное движение плуга, снижается с 4 до 3,8 кВт. Оснащение плуга отвалом незначительно увеличивает энергозатраты.
При угловых скоростях выше 4,56 с-1 мощность, затрачиваемая на вращение диска плуга NВ, начинает превышать мощность, затрачиваемую на поступательное перемещение плугаNП, что делает такой процесс крайне невыгодным с энергетической точки зрения. Снижение мощности, затрачиваемой на поступательное движение плуга при увеличении ω, по-видимому, обусловлено тем, что с увеличением скорости вращения диска резание почвы происходит более интенсивно, и, кроме того, вращающийся диск увлекает вверх набегающий слой почвы, что способствует её удалению из борозды, вследствие чего происходит снижение усилия, необходимого для продольного перемещения плуга.
а б
Рисунок 5 – Зависимости коэффициента оборачиваемости пласта и мощности от угловой скорости вращения диска
Оптимальная скорость вращения диска составляет около 4.2 с-1. При такой скорости, по сравнению со скоростью свободного вращения, происходит улучшение качества обработки почвы, снижение мощности, затрачиваемой на поступательное движение плуга NП, и в то же время еще не наблюдается резкого роста мощности, затрачиваемой на вращение диска плуга NВ.
Библиографический список
1. Пат. 64843 РФ, МПК А 01 В 9 / 00. Дисковый корпус плуга [Текст] / П. И. Попиков, П. Э. Гончаров, С. В. Дорохин, В. Н. Коротких; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. – № 2007108331/22; заявл. 05.03.2007; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21. – 3 с.
2. Вершинин, В. И. Обоснование конструкции дискового лесного плуга для обработки почвы на нераскорчеванных вырубках [Текст] : дис. … канд. техн. наук / В. И. Вершинин ; Воронеж. лесотехн. ин-т. – Воронеж, 1968. – 184 с.
