Расширение возможностей использования равнинных машинно-тракторных агрегатов на склонах

6. 6. Апробация работы.246.

Список использованной литературы.247.

Приложения.262.

Решение продовольственной проблемы неизбежно требует совершенствования технологических процессов и технических средств по возделыванию и уборке сельскохозяйственных культур. Совершенствование технологических процессов осуществляется посредством коренного пересмотра технологии, замены устаревших технологических приемов новыми. Новые технологии должны быть направлены на исключение лишних операций, не влияющих на качество технологического процесса. Прежде всего это касается сокращения холостых ходов, исключения различных перевалочных и транспортных работ. Новые технологические приемы, в первую очередь, должны быть нацелены на увеличение производительности труда, повышение безопасности проведения технологических операций и снижение затрат.

Существующие тракторы и сельскохозяйственные машины (СХМ), осуществляющие технологические процессы по возделыванию и уборке сельскохозяйственных культур, созданы для работы на равнинах. Однако в районах равнинного земледелия значительная часть земельных угодий, сенокосов и пастбищ расположена на склонах, и эти земли являются одним из реальных резервов увеличения продукции сельскохозяй ственного производства. Так, в Республике Татарстан только пашни, расположенной на склонах крутизной 3°, имеется более 11% от всей площади. Сенокосы и пастбища на склонах крутизной свыше 8° занимают 12% всех земель [61], причем площадь лугов составляет 20% от площади пашни республики. В условиях разукрупнения хозяйств и сокращения по разным причинам площади сельскохозяйственных угодий возрастает значение использования склоновых земель.

В хозяйствах равнинного земледелия имеются исключительно только тракторы равнинного исполнения, и машинно-тракторные агрегаты (МТА) на их базе не позволяют выполнять отдельные виды работ на склонах. Их использование на склонах ограничено также и требованиями безопасности, в основном, из-за потери устойчивости как по опрокидыванию, так и по направлению движения. И в дальнейшем мелкие фермерские хозяйства не будут в состоянии закупать специальную технику для обработки сельскохозяйственных угодий на склонах.

Классифицируя причины невозможности использования равнинных машинно-тракторных агрегатов на склонах, можно выделить следующие их группы.

1. Технические: высокое расположение центра масс составных частей агрегата и самого агрегата в целомфиксированное положение центра масс составных частей агрегата относительно трактора (кроме подъема и опускания сельскохозяйственной машины при помощи навески) — изменение ширины колеи трактора в незначительных пределахнарушение внутренних процессов в агрегате (стабильности работы систем трактора и СХМ).

2. Технологические: увеличение пути холостых переездов и времени на их выполнениеразличие в выполнении технологических операций на горизонтальных участках и на склонах.

3. Социально-экономические: разукрупнение хозяйствотсутствие финансовых средств для укомплектования хозяйств соответствующим шлейфом машин.

На производительность машинно-тракторных агрегатов при их функционировании на склонах существенно влияет уровень безопасности работ, определяемый действием на человека санитарно-гигиенических и психофизиологических факторов. Производительность и безопасность сельскохозяйственных машин и агрегатов имеет связь с их эксплуатационными качествами, однако до сих пор не разработана целостная концепция повышения производительности труда путем увеличения безопасности проведения технологических операций и сельскохозяйственной техники.

В настоящей работе рассматриваются вопросы совершенствования технологии и средств уборки кормовых культур на склонах, устойчивости и эффективности работы машинно-тракторного агрегата с перемещаемым центром масс (ПЦМ) сельскохозяйственной машины. Приводятся методики расчета показателей статической и динамической устойчивости агрегата, экспериментальной проверки выдвинутых теоретических положений и оценка соответствия теоретических и экспериментальных данных. Работа является частью научно-исследовательских работ Казанской государственной сельскохозяйственной академии по проблеме: «Разработка технологических, технических и организационных решений по энерготрудосбережению и улучшению условий труда на сельскохозяйственных предприятиях и агрегатах инженерного комплекса» .

Целью диссертационной работы является определение резервов функционирования и повышения производительности сельскохозяйственных агрегатов на базе тракторов равнинного исполнения путем увеличения их устойчивости при работе на склонах посредством перемещения центра масс сельскохозяйственной машины для создания стабилизирующего момента.

Объектами исследования являются технология скашивания культур на склоне и асимметричный агрегат с боковой навеской СХМ с перемещаемым центром масс для выполнения указанной технологии.

Научная новизна работы состоит в том, что разработана технология выполнения сельскохозяйственных работ на склонах с использованием равнинного машинно-тракторного агрегата, центр тяжести которого смещен относительно продольной оси трактора при движении по горизонталям склона в сторону вершины склона. Разработан агрегат с навесной машиной (патент Российской Федерации № 2 081 004), центр тяжести которой перемещают с одной стороны трактора на другую путем поворота вокруг вертикальной оси при помощи привода поворота. Предложен подход определения аналитических зависимостей устойчивости путем разбиения пространства размещения машинно-тракторного агрегата на пространственные зоны. Построены математические модели для расчета показателей устойчивости и выведены общие зависимости для определения предельного статического угла поперечной устойчивости (ПСУПУ) и нормальных реакций опорной поверхности (ИРОП) на колеса агрегата, состоящего из большого числа составных частей. Построены математические модели для расчета показателей устойчивости и выведены зависимости для расчета предельного статического угла поперечной устойчивости и нормальных реакций опорной поверхности на колеса агрегата, составленного из трактора равнинной модификации и сельскохозяйственной машины, центр тяжести которой перемещают путем поворота вокруг оси с одной стороны трактора на другую и позиционируют в зависимости от положения агрегата на склоне. Аналитически и экспериментально выявлены закономерности влияния параметров (факторов) агрегата на показатели (функции) устойчивости. Отмечено, что влияние факторов на функции носят синусоидальный характер. Выявлены резервы использования равнинных машинно-тракторных агрегатов на склонах путем позиционирования положения центра масс машины и повышения за счет этого устойчивости агрегата. Разработано устройство для измерения нормальных реакций опорной поверхности на колеса агрегата, находящегося непосредственно на склоне. Предложены технические решения, направленные на усовершенствование агрегатов на базе равнинных тракторов для работы на склонах, движителей равнинных тракторов и ротационных косилок, новизна которых защищена 14 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Концепция взаимосвязи безопасности и производительности машинно-тракторного агрегата.

2. Технология скашивания культур на склоне с применением асимметричного навесного агрегата на базе равнинного трактора с перемещаемым центром масс сельскохозяйственной машины.

3. Агрегат по патенту Российской Федерации № 2 081 004 на базе равнинного трактора с перемещаемым центром масс сельскохозяйственной машины.

4. Математические модели для определения предельного статического угла поперечного уклона, нормальных реакций опорной поверхности на колеса агрегата с несколькими составными частями.

5. Математические модели для определения предельного статического угла поперечного уклона для машинно-тракторного агрегата с одной сельскохозяйственной машиной, рама которой поворачивается вокруг оси на 180° от крайнего нижнего положения до крайнего верхнего положения, нормальных реакций опорной поверхности на колеса и динамической устойчивости этого агрегата на склоне.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований устойчивости агрегата с перемещаемым центром масс навесной машины.

7. Устройство для измерения нормальных реакций опорной поверхности на колеса агрегата.

8. Предложения по совершенствованию машинно-тракторных агрегатов для работы на склонах.

6.4. Общие выводы.

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие общие выводы и рекомендации:

1. Анализ условий функционирования машинно-тракторных агрегатов в технологических процессах, выполняемых на склонах, а также изучение состояния исследований в этой области, конструкций тракторов, сельскохозяйственных машин, орудий и агрегатов в целом подтвердили необходимость изыскания приемов расширения пределов использования равнинных тракторов на склонах путем создания и организации технологических операций и средств для их выполнения.

Наиболее целесообразным приемом увеличения эффективности машинно-тракторного агрегата на базе равнинного трактора, улучшения качества выполняемых им на склонах работ является повышение безопасности агрегата и, в частности, его устойчивости.

2. В результате выполненных теоретических исследований:

2.1. Обоснована и разработана концепция взаимосвязи безопасности агрегата с его производительностью.

2.2. Предложена новая технология выполнения работ на склоне с применением асимметричного навесного агрегата на базе равнинного трактора, который выполняет рабочий процесс челночным способом движения с перемещением центра масс СХМ с одной стороны трактора на другую на поворотной полосе.

2.3. Разработан новый агрегат для выполнения сельскохозяйственных работ по предлагаемой технологии (патент Российской Федерации № 2 081 004).

2.4. Проведен теоретический анализ показателей устойчивости асимметричного навесного агрегата на базе равнинного трактора с несколькими составными частями по новой методике (с разбиением пространства размещения составных частей агрегата на четыре зоны), получены частные и общие теоретические зависимости для определения предельного статического угла поперечного уклона, нормальных реакций опорной поверхности на колеса агрегата. Выявлен характер воздействия параметров машинно-тракторного агрегата на его устойчивость и на основании этого вскрыты пути повышения устойчивости, производительности и расширения возможностей использования равнинного агрегата на склонах.

2.5. Разработаны принципы и предложен способ перемещения центра масс сельскохозяйственной машины вращением вокруг оси поворота с одной стороны (борта) трактора на другую.

2.6. Обоснованы оптимальные пределы изменения параметров экспериментального агрегата на базе равнинного трактора с одной сельскохозяйственной машиной.

2.7. Разработана методика определения предельного статического угла поперечного уклона, нормальных реакций опорной поверхности на колеса экспериментального агрегата с перемещаемым центром масс сельскохозяйственной машины.

2.8. Проведены теоретические исследования статической и динамической устойчивости экспериментального агрегата.

3. Отмечены следующие особенности изменения показателей устойчивости по теоретическим зависимостям и их графическим отображениям:

3.1. Величины предельного статического угла поперечного уклона и нормальных реакций опорной поверхности на колеса агрегата изменяются по синусоидальному закону.

3.2. Изменение ширины колеи трактора, силы тяжести сельскохозяйственной машины, выноса центра масс сельскохозяйственной машины в большей степени влияют на параметры устойчивости агрегата, нежели изменение высоты расположения центра масс сельскохозяйственной машины.

3.3. Устойчивость агрегата при расположении центра масс сельскохозяйственной машины в верхнем крайнем положении в направлении вершины склона выше, чем при расположении в крайнем положении в направлении подножия склона.

3.4. По мере перемещения центра масс сельскохозяйственной машины с крайнего нижнего положения к крайнему верхнему положению нормальные реакции опорной поверхности на нижние колеса уменьшаются, а на верхние колеса увеличиваются, при этом имеется тенденция их выравнивания.

3.5. Для агрегатов с параметрами, близкими к реальным, предельный статический угол поперечного уклона при верхнем расположении центра масс агрегатируемой машины увеличивается на величину до 41.44° против 31.34° при нижнем расположении центра масс агрегатируемой машины.

4. Экспериментальными исследованиями процессов влияния положения центра масс сельскохозяйственной машины на устойчивость агрегата на базе равнинного трактора установлено:

4.1. Экспериментальные зависимости изменяются по квазисинусоидальному закону.

4.2. Увеличение массы и расстояния выноса центра масс сельскохозяйственной машины в значительной мере влияют на устойчивость исследуемого агрегата, а повышение центра масс машины меньше сказывается на устойчивости агрегата.

4.3. Увеличение ширины колеи трактора приводит к увеличению устойчивости агрегата.

4.4. По мере перемещения центра масс машины с крайнего нижнего положения к крайнему верхнему положению (при повороте рамы машины на 180°) нормальные реакции опорной поверхности на нижние и верхние по склону колеса начинают выравниваться и при определенных параметрах агрегата и углах уклона становятся равными друг другу.

4.5. Равенство нормальных реакций опорной поверхности на нижние и верхние по склону колеса говорит о наибольшей устойчивости и наиболее оптимальных условиях работы агрегата, его движителей и воздействия на почву (травяной покров) а также улучшения экологии.

4.6. Перемещение сельскохозяйственной машины с одной стороны трактора на другую сторону (позиционирование) необходимо осуществлять на конце гона с выездом на поворотную полосу при полной остановке трактора.

5. Проведенными полевыми исследованиями на склонах от 0 до 20° выявлено:

5.1. Машинно-тракторный агрегат при верхнем расположении центра масс сельскохозяйственной машины менее подвержен опрокидыванию и удовлетворительно работает на склонах с уклоном до 15°.

5.2. Во избежание нарушения технологической надежности работы и динамической устойчивости агрегата поверхность поля должна быть выровнена, допускаются работать на участках с неровностями высотой не более 10 см (0,1 м).

6. Теоретические и экспериментальные показатели, и их графические отображения по характеру полностью соответствуют друг другу, однако имеются различия в численных значениях, которые объясняются разницей в величинах исходных параметров при обосновании теоретической части исследований и фактических параметров при проведении экспериментальных исследований.

7. Исследование технологических и технико-эксплуатационных характеристик показало следующее:

7.1. При работе агрегата по предлагаемой технологии коэффициент рабочих ходов в 2 раза выше, чем в базовом варианте (0,82 против 0,44).

7 2. Время, затрачиваемое на выполнение одного цикла в предлагаемой технологии на 18,2% меньше, чем в базовой.

7.3. Производительность агрегата с перемещаемым центром масс сельскохозяйственной машины на 22.6% выше базового.

8. Годовой экономический эффект от использования одного уборочного агрегата по новой технологии составляет 11 236 рублей (по ценам 1998 года). Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений на косилку составляет 1,3 года. Коэффициент эффективности дополнительных капитальных вложений на модернизацию ротационной косилки для агрегата равен 0,77.

8. На разных этапах проведения исследований разработаны новые средства реализации машинно-тракторных агрегатов для проведения уборочных работ по новой технологии (изобретения по авторским свидетельствам СССР №№ 1 017 206, 1 085 553, 1 166 711, 1 197 586, 1 207 417, 1 209 075, 1 555 146, 1 687 464 и патентам РФ №№ 2 081 004, 2 027 626, 1 762 783, 2 045 437, 2 049 677, 2 088 456 —всего 14 изобретений).

9. Социальный эффект от использования разработок в области усовершенствования технологии и технических средств уборки кормовых культур на склонах выражается в повышении производительности и безопасности работы тракториста на агрегате, исключении смертельных случаев и травматизма, снижении страха перед возможностью опрокидывания агрегата.

6.5. Внедрение.

1. Технология скашивания с расположением центра масс косилки относительно трактора в верхней части склона и элементы этой технологии внедрены в совхозе «Улимановский» Актанышского района, в хозяйствах «Ясгы Юл», имени Тимирязева и имени Рахимова Балтасинского района, а также в Арском лесхозе Республики Татарстан. Элементы указанной технологии были опробованы в отдельных хозяйствах Рыбно-Слободского, Лаишевского, Заинского и Арского районов, в учхозе Казанской государственной сельскохозяйственной академии.

2. Сборник «Комплекс изобретений по совершенствованию технологических процессов» для реализации предлагаемой технологии был отмечен Почетной грамотой Главы администрации Вахитовского района столицы Республики Татарстан (Фестиваль технического творчества изобретателей и рационализаторов Вахитовского района, 18 августа 1997 г.).

3. Сборник авторских свидетельств и патентов, включающих описания изобретений по реализации предлагаемой технологии, переданы для внедрения в Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Татарстан.

4. Схемы реализации агрегатов с перемещаемым центром масс составных частей и тракторов для работы на склонах использованы в учебном процессе в учебных заведениях Республики Татарстан (Книга: ЭХ. Жрмагылов. Хезметтеге иминлек: Авыл хуж, алыгы белгечлеге буенча югары Ьем махсус урта белем биру йортлары студентлары ечен практикум. — Казан: Мегариф, 1996. — 167 бит, рес.б.) по рекомендации.

Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Татарстан).

5. В учебный процесс Казанской государственной сельскохозяйственной академии по программе подготовки специалистов по специальности № 31−13 по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности на производстве» (Нуруллин Р.Г., Зимагулов А. Х. Безопасность работы водителя (тракториста) на тяговых и транспортных агрегатах сельскохозяйственного назначения: Практическое пособие. — Казань: Казанский СХИ, 1994. — 38 с.) внедрены: а) теоретические положения по определению предельного статического угла поперечного уклона и других параметров устойчивости агрегатаб) схемы реализации агрегатов с позиционированием положения центра масс сельскохозяйственной машины, тракторов для работы на склоне, движителей для стабилизации остова трактора.

Документы, подтверждающие внедрение изложенных в диссертационной работе научных разработок и результатов исследований, приведены в приложениях 6.1—6.6.

6.6. Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Казанского сельскохозяйственного института 1977, 1980.1982, 1986, 1991. 1993 гг., Казанской государственной сельскохозяйственной академии 1995, 1997 гг.;

IX научно-методической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» сельскохозяйственных вузов Поволжья и Предуралья 1994 г. (г. Казань),.

Международном научно-техническом семинаре «Новые технологии — 96» 1996 г. (г Казань),.

И научно-методической межвузовской конференции 1997 г. (г. Казань), научном семинаре Института механики и машиностроения Казанского научного центра Российской академии наук 1999 г.

Технические решения по теме экспонировались на выставке в Торгово-промышленной палате Республики Татарстан в 1997 г.

Опубликовано 25 печатных работ, в том числе 14 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации.