Исследование влияния активного колеса плуга на производительность пахотного агрегата с трактором «Кировец» в условиях Нечерноземной зоны РСФСР

Важнейшим условием успешной реализации Продовольственной программы СССР на I98I-I990 гг., принятой на-майском, 1982 года, Пленуме ЦК КПСС [i], является повышение эффективности сельскохозяйственного производства при снижении затрат труда и средств на единицу продукции. Эта задача должна быть решена на базе роста технической оснащенности сельского хозяйства, улучшения использования машинно-тракторного парка, роста энергонасыщенности тракторов, разработки новых конструкций машин црименительно к природно-климатическим условиям различных зон страны. Нечерноземная зона РСФСР значительно отличается структурой производства, климатическими условиями, характеристикой почв от других зон страны. Значительное количество обрабатываемых здесь площадей имеет избыточное увлажнение.

Многолетними наблюдениями [з] установлено, что влажность почвы на полях хозяйств Ленинградской области значительно изменяется на протяжении сельскохозяйственного сезона. Причем наиболее высокие влажности почв наблкщаются в мае-июне и сентябре-октябре. Основная обработка почвы в мае производится при относительнойвлажности от 24 до 50%, в июне — от 16 до 32%. В сентябре пахота производится при влажности почвывыше 18% и в октябре ггри 26−44%. Оптимальная (нормальная) влажность супесчаных и средне-суглинистых почв, занимающих более 60% площадей зоны, считается. в пределах от 10 до 24%. Таким образом пахотные агрегаты работают в условиях, когда влажность почвы, как правило, повышена. Влажность оказывает сильное влияние на механические свойства почв, фи увеличении ее от 20 до 30% сопротивление почвы сжатию и сдвигу уменьшается .в 3−4 раза, а тягоЕО-сцепные свойства тракторов снижаются на 20- 25%. Соответственно падает производительность пахотного агрегата, увеличиваются сроки проведения сельскохозяйственных работ. Исследования ряда опытных станций [^показывают, что каждый день превышения сроков на посеве ранних зерновых приводит к потере I % будущего урожая.

В связи с этим встает задача рационального использования энергетических возможностей мощных энергонасыщенных тракторов «Кировец» с тягой 50−80 кН на основной обработке почвы в условиях недостаточного сцепления колесных движителей с почвой.

Чтобы реализовать полную мощность двигателя трактора, повысить сцепление колес с почвой, прибегают к увеличению массы трактора за счет заполнения водой шин ведущих колес, балластировкой грузами и т. п. Эти приемы цриводят к увеличению металлоемкости агрегата, увеличению потерь мощности на самопередвижение, чрезмерному уплотнению почвы.

Одним из способов повышения эффективности использования мощности энергонасыщенного трактора является отвод части мощности двигателя на привод опорных колес плуга. В условиях Нечерноземной зоны РСФСР, когда реализация тягового усилия трактора полностью не представляется возможной вследствие ухудшения сцепных свойств, этот прием может быть наиболее перспективным.

Исследования по применению плугов с опорно-ведущими колесами цроводились как за рубежом, так и у нас в стране [5,6,7,8,9,10, 11,12]. Результаты исследований подтверждают эффективность отвода части мощности двигателя на привод опорных колес плуга. Однако в данных работах не рассматривается воцрос влияния отбора мощности для цривода опорного колеса на тягово-эксплуатационные показатели тракторов с двигателем мощностью 220−368 кВт.

Настоящая работа имеет целью исследование влияния цривода ведущего колеса плуга с изменяемой шириной захвата на потенциальную эксплуатационную характеристику пахотного агрегата с трактором «Кировец». Работа выполнена по постановлению Госкомитета.

СССР по науке и технике от 9 июня 1980 г. J& 226. Разработать систему машин для обработки почвы к трактору «Кировец», отвечающую условиям Нечерноземной зоны РСФСР.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

I.I. Повышение эффективности использования мощности энергонасыщенных тракторов на основной обработке почвы.

Современное тракторостроение как у нас в стране, так и за рубежом характеризуется повышением мощности тракторов [13,14,15]. Так, в СССР мощность тракторов класса тяги 3 увеличилась в 2,75 раза, 5 — в 1,5 раза. В США [15]в 1965 году трактор максимального типоразмера со всеми ведущими колесами из числа серийно выпускаемых имел мощность на ВОМ 107 кВт, в 1977 году -. 225 кВт. Одновременно тяговое усилие на крюке увеличилось в два раза. В настоящее время появились образцы еще более мощных колесных тракторов. В СССР — «Кировец» (K-7I0) мощностью 368 кВт. В США" flncfiox. Boy «(фирмы Сорей&пс?) и «РссаШг JbCLiri ST- 650» (фирмы ^PtBigtx.) мощностью, соответственно 440 и 480 кВт. В СССР и США ведутся работы по созданию секционного сельскохозяйственного трактора с двигателем мощностью 740 кВт.

Исследования[13] показывают, что рост мощности и размеров сельскохозяйственных тракторов лимитируются не проблемами работы и транспортирования широкозахватных машин, решаемыми путем их складывания, разворотов и применения сцепок, а чисто экономическими факторами: до тех пор пока затраты на приобретение и эксплуатацию заменяемых тракторов будут превышать соответствующие затраты на заменяющий их трактор, рост мощности будет продолжаться.

На прочных почвах мощность, двигателя трактора может быть реализована полностью [16] Рис. 1.1. В этом случае тяговые возможности трактора определяются пределом движущей силы по двигателю On о* или номинальной движущей силои по двигателю По С. А. Иофинову LI7J :

А/кр Ркрн W.

Лр

Рис. 1.I. Зависимость тягово-эксплуатадиоиных показателей трактора «Беларусь» на вспашке на 4 передаче (по Я.К.Дуб-ковскому).

I.I) Me MOM h Г 75 F"*" —bM.r'l- ?}***.

1.2).

На слабых почвах полное использование мощности двигателя невозможно из-за недостаточных сцепных свойств движителей трактора.

Исследованиями, проведенными на полях Ленинградской области В. Е. Гореликовым [I8J, установлено, что в зоне оптимальных нагрузок в ходовой части трактора «Кировец» теряется до 25−35% мощности двигателя, фи этом наибольшая величина потерь приходится на потери, связанные с буксованием трактора. Это прежде всего объясняется изменением физико-механических свойств и влажности почвы, которые для каждой сельскохозяйственной зоны имеют характерные закономерности [19] .

В цриведенном на рис. 1.2 примере в ранне-весенний период, когда влажность почвы высокая, тяговая мощность гусеничных тракторов снижается примерно на 15%, а колесных — на 35−40% [19]. На рис. 1.3 изображены графики предельного и номинального значения движущей силы, оцределенного С. А. Иофиновым [17].

Жирной линией показано лимитирующее значение (по сцеплению и двигателю) этих величин. Заштрихованный участок показывает недо-использованныевозможности двигателя из-за ограничения по сцеплению.

Энергонасыщенность трактора по сцеплению ограничивается условием [20].

ЕЫразим соотношение (1.3) в безразмерном виде:

РКР S'/* Гf а.

Из неравенства (1.4) следует, что повышение энергонасыщенности трактора за счет снижения его массы ведет к недоиспользованию.

1.3).

Н>Щ n.c. 400.

80 Б0 АО 20 месяцы т". д.

Ч? ж ш Y И 1 ш IX? а Ш.

3 пп П п п cm ЛОТ лет.

26 43 -М k в в 9.

Рис Л.2 Изменение тяговой мощности тракторов на протяжении сельскохозяйственного сезона. I и П соответственно для гусеничных и колесных тракторов- 3- зябь, ПП~ подготовлено под посев, П — пар, Ст — стерня, Лет — лущеная стерня.

Зона HftBacmQ-гподно7о сцепления Fc < F3B Зона Зостоточ. ною сцеппения Fc>Pa&^< рГ.

Р кос л тр

CL с£ с£.

J .и Г.

Рис. 1.3.

1−3 мощности двигателя. Увеличение массы трактора удовлетворяет соотношению (1.4), но цриводит к нежелательной деформации почвы и безмерному ее уплотнению. По данным исследований канадских ученых [211 об изменении структуры почвы в связи с тенденцией к применению в сельском хозяйстве мощных тяжелых машин, только в США убытки, цриносимые уплотнением возделываемой почвы транспортными и тяговыми сельскохозяйственными средствами, превышают ежегодно миллиард долларов. Возникает противоречие. С одной стороны, увеличение массы трактора обеспечивает надежное сцепление движителей с почвой, а с другой — требует непроизводительных затрат на свое перемещение по полю, что снижает общий коэффициент полезного действия ходовой системы трактора. Для пахотного агрегата состоящего из трактора и плуга с опорно-ведущим колесом, выражение (1.3) представим в виде.

Ркр.т — Р*рпл < вг (ЬУ>тУгЗ+^^л + йгУ^-Ум) (1ф5).

Запишем уравнение баланса мощности двигателя, для пахотного агрегата с отбором мощности для цривода ведущего колеса плута, в следующем виде:

Ъ-Аб *tic.r/lT/> (1.6).

Мощность, подведенная к колесам трактора:

М.Т = М<�р.т (L7).

Тяговая мощность трактора /Срт определяется из выражения.

Лхр.7 — • 2fp (1.8).

Мощность, реализуемая через ВОМ трактора для цривода ведущего колеса плуга:

Движущая сила, создаваемая ведущим колесом плуга, может быть использована для увеличения ширины захвата или скорости движения пахотного агрегата.

С другой стороны мощность, передаваемая через движители трак/ тора, будет равна а?.т С1. Ю).

Подставив вьдэажения (1.9) и (1.10) в формулу (1.6), получим или ^з^'^.т' +%./>л '^К.ПА /tfi.M.

I.II).

1.12).

Запишем уравнения (1.7) и (1.9) в следующем виде: —[бг'Мт AVtrp + ЫЖ' ?Нл /to.M (1.13).

1.14).

2i> (1.15).

Отщгда // .г /, о 2Ур ^ -г£ (1.16).

С учетом (I.I4) и (1.15) получим:

1Л.

• zfp.

I. IV).

Из выражения (I.17) следует, что применение ведущих колес плуга позволяет использовать массу плуга в качестве сцепной и тем самым уменьшить массу трактора, снизить уплотнение почвы. Причем предельная мощность, которую можно реализовать для привода ведущих колес плуга, определяется его приведенной массой, рабочей скоростью и допустимым буксованием.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Анализ естественно-производственных условий Нечерноземной зоны РСФСР, работ по определению оптимальных параметров пахотных агрегатов, конструкций сельскохозяйственных машин с ведущими колесами, применяемых в отечественном и зарубежном сельском хозяйстве, показал актуальность работ по исследованию привода ведущих колес плуга с изменяемой шириной захвата, конструкция которого разработана НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР.

Отбор мощности двигателя трактора для привода ведущих колес плуга может быть использован с целью повышения производительности пахотного агрегата как в условиях с низкой несущей способностью почвы, так и для снижения уплотняющего воздействия ходовой системы трактора за счет снижения его массы.

2. В результате теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальные параметры и режимы работы пахотного агрегата, состоящего из трактора «Кировец» и плуга с ведущими колесами, имеющего изменяемую ширину захвата.

Оптимальная скорость движения, агрегата, состоящего из трактора K-70I, имеющего массу 13 750 кг, мощностью 220 кВт и плуга со сцепной массой SnA = 3700 кг, находится в диапазоне 8,1−9,7 км/ч в зависимости от коэффициента сцепления, фи этой скорости оптимальная ширина захвата плуга составляет 3,18−6,41 м в зависимости от удельного сопротивления почвы, при тех же значениях коэффициента сцепления ^ = 0,65−0,5. фи данных параметрах и режимах работы пахотного агрегата через ведущие колеса плута может быть реализовано до 15% мощности двигателя.

3. Установлено, что цри ухудшении сцепных свойств движителей с почвой использование привода ведущих колес плуга смещает область оптимальной рабочей скорости в сторону уменьшения, а оптимальную ширину захвата в сторону увеличения.

В случае использования в пахотном агрегате плуга с изменяемой шириной захвата, но без использования цривода ведущих колес, при ухудшении сцепных свойств необходимо для увеличения производительности пахотного агрегата работать с большей скоростью и меньшей шириной захвата.

4. фи увеличении мощности двигателя трактора K-70I до 368 кВт целесообразно его использовать с плугом массой 5530 кг, оснащенным ведущими опорными колесами. Оптимальная рабочая скорость такого агрегата находится в диапазоне 9-II км/ч. Предельная ширина захвата плуга составляет 4,15 и 8,36 м, для почв с о удельным сопротивлением от 3 до 7 Ц/см .

5. На основании теоретических исследований разработана методика определения оптимальных параметров и режимов работы пахотных aiperaTOB с приводом ведущих колес плуга. Экспериментально подтверждена правильность сделанных допущений и предпосылок.

6. В хозяйственных условиях подтверждена эффективность применения плуга с ведущими колесами и изменяемой шириной захвата.

7. Расчет экономической эффективности по стандартной методике с учетом совращения потерь урожайности вследствие уменьшения агросроков проведения вспашки, показал, что годовой экономический эффект от применения плуга с ведущим колесом и изменяемой шириной захвата составляет 367,6 руб.