Оптимизация параметров технологического процесса поверхностной обработки почвы роторным автоприводным агрегатом

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 631.312.35:631.51

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ РОТОРНЫМ АВТОПРИВОДНЫМ АГРЕГАТОМ

В.А. Цепляев, кандидат технических наук, доцент

М.Н. Шапров, доктор технических наук, профессор А.Н. Цепляев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Волгоградский государственный аграрный университет

Ключевые слова: поверхностная обработка почвы, ротор, угол резания, передаточное отношение.

В статье рассматривается вопрос по разработке и исследованию конструкции автопри-водного роторного агрегата. Принцип его работы заключается в том, что передний и задний роторные диски с ножами связаны цепной передачей, охватывающей звездочки с различным числом зубьев. Это обеспечивает самоторможение и проскальзывание ножей. Проведены исследования и определены основные параметры рабочих органов машины.

При уходе за парами применяется поверхностная мелкая обработка почвы для ее рыхления и уничтожения сорняков. Эти операции необходимо выполнять без выноса нижних влажных слоев почвы на поверхность.

Разработка рабочих органов, выполняющих это требование, ведется в ВолГАУ на кафедре «Сельскохозяйственные машины» [1, 2]. Наиболее эффективным орудием, обеспечивающим сохранение почвенной влаги и снижение тягового сопротивления при поверхностной обработке почвы, является машина роторного типа (рисунок 1). Она имеет раму 3, механизм навески 5, опорные колеса 4, ведомые роторные диски 1, снабженные загнутыми в сторону движения лезвиями, ведущие роторные диски 7, гидроцилиндр 2, звездочки привода роторных дисков 6, цепь 8.

При движении по полю зубья рабочих органов 1, 7 входят в зацепление с почвой и начинают вращаться. Привод ведущих роторных, дисков 7, осуществляется за счет взаимодействия с почвой, а привод ведомых 1 с помощью цепной передачи. За счет разного количества зубьев на звездочке 6 ведомые роторные диски 1 вращаются с большей скоростью, чем ведущие, что позволяет лезвиям скользить по поверхности почвы. Зубья ведомых и ведущих роторных дисков загнуты в одну и ту же сторону и снабжены режущими ножами. По принципу действия ведомые и ведущие роторные диски работают как фрезы, рыхля почву без ее оборота и уничтожая при этом сорняки.

Рисунок 1 - Схема почвообрабатывающей машины роторного типа:

1 - ведомые роторные диски; 2 - гидроцилиндр; 3 - рама; 4 - опорные колеса;

5 - механизм прицепного устройства; 6 - звездочки; 7 - ведущие роторные диски; 8 - цепь

Для определения основных кинематических и конструкторских параметров машины проводились теоретические и экспериментальные исследования.

Так было установлено, что при угле резания менее 45° и угле заточки г менее 10° возникает недостаточное сопротивление и обе пары роторных дисков просто перекатываются без уничтожения сорной растительности, а при угле резания свыше 60° и угле заточки менее 20° возникает большое сопротивление и ведущий роторный диск не может повернуть ведомый и оба диска останавливаются. Следовательно, угол резания должен быть в пределах от 45° до 60°, а угол заточки г - от 10° до 20°. Для устойчивой работы орудия целесообразно устанавливать угол резания = 40°, а угол заточки г = 15°.

Для определения оптимального значения параметров, влияющих на качество работы машины, были проведены экспериментальные исследования методом планирования многофакторного эксперимента.

Анализ литературных данных, результатов поисковых опытов, теоретических исследований процесса обработки, позволили выделить факторы и их допустимые интервалы варьирования. Такими факторами явились: угол вхождения ножа в почву (х1), скорость движения агрегата (х2), отношение окружной скорости диска к скорости движения агрегата (х3).

Критериями оптимизации, по которым оценивался процесс, были приняты влажность почвы - Y1 (основной критерий) и полнота уничтожения сорной растительности - Y2 (дополнительный критерий). Для реализации исследований в области оптимума выбран предельно насыщенный план второго порядка (план Рехтшафнера).

Для обоснования параметров агрегата использовалась экспериментальная установка, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 - Экспериментальная установка для производственных испытаний

Конструкцией агрегата предусмотрена возможность регулирования следующих его параметров: скорости движения агрегата, скорости вращения ведомого роторного диска, глубины обработки, изменение угла входа ножа в почву.

На основании опытных данных по предложенной программе на ПЭВМ были рассчитаны коэффициенты регрессии. Значимость этих коэффициентов оценивалась по критерию Стьюдента. Все коэффициенты оказались значимыми. В результате расчётов были получены уравнения регрессии в кодированном виде:

а) по влажности почвы

ув0с'~92 = 90,25 + 16,25х1 + 0,75х2 - 0,5х3 + 0,01х1 х2 - 0,25х1 х3 - 0,25х2 х3

-11,5х12 -10х22 - 7,75х32

б) по повреждению растений

ук-1 = 7,12 + 8х - 6х2 + 5х3 + 2,25х1х2 + 0,75х,х3 - 0,25х2х3

У о э 1 2 3’ 12 ’13 ’23

+ 5,88х1 + 9,88 х2 +10,88 х3

Адекватность математических моделей проверялась по критерию Фишера. Результаты расчётов показали, что во всех случаях исследования данного агрегата Рр ^ Ртаб (здесь Гтаб = 2,6 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5 %). Таким образом, математическая модель адекватна результатам эксперимента.

Решая уравнения (1 и 2), были определены оптимальные значения факторов, которые в кодированном и раскодированном (знаменатель) виде представлены в таблице.

Таблица - Оптимальные значения факторов по критериям оптимизации

Фактор Влажность почвы Полнота уничтожения растений

х1 - угол вхождения ножа в 0,71 - 0,77

почву, град. 36 14

х2 _ скорость агрегата, м/с 0,04 1,64 0,39 1,91

х3 - коэффициент X - 0,04 1.5 - 0,23 1,38

Дальнейшее исследование проводили, используя двухмерные сечения. По ним судили об изменении критерия оптимизации.

Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют одинаковые знаки, то поверхности откликов, описанные уравнениями (1и 2), представляют семейство эллипсов с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов. Рассмотрение и анализ всех возможных сечений дало представление об изменении критерия оптимизации при варьировании разных пар факторов. Примеры таких сечений даны на рисунках 3 и 4.

Х2

Рисунок 3 - Влияние факторов х1 и х2 на влажность почвы

І І І I

Х2

Рисунок 4 - Влияние факторов х1 и х2 на полноту уничтожения растений

Важным показателем, кроме рассмотренных ранее, является показатель энергозатрат при эксплуатации разработанного агрегата. Поэтому были проведены исследования по определению тягового сопротивления на перемещение машины при разных условиях ее работы. Сравнивая полученные значения тягового сопротивления (рисунок 5), следует отметить, что при увеличении передаточного отношения и глубины обработки почвы усилие возрастает.

Рисунок 5 - Зависимость тягового сопротивления машины при разной глубине обработки

со

и

0

1

э-

о

2

=2.0

=1,5

=1,0

Скорость машины, м/с

Рисунок 6 - Зависимость затрат мощности от скорости машины и передаточного отношения

Характер изменения кривых позволяет отметить, что до передаточного отношения 1,8... 2,0 кривые нарастают, почти подчиняясь прямо пропорциональной зависимости. Максимальное значение усилия при обработке на глубину до 6 см превышает 3,0 Кн/м. Однако последующее увеличение передаточного отношения приводит к резкому возрастанию усилия и при значении i = 2,5 и глубине 9 см затраты усилия превышают 5 Кн/м. Судя по закону изменения кривых, они носят параболический характер. Следовательно, передаточное отношение не должно превышать i = 2,0. В этом случае качественно выполняется технологический процесс, а тяговое сопротивление будет меньше.

Результаты расчета мощности при разных значениях передаточного отношения даны на рисунке 6. Затраты мощности по характеру изменения кривых близки к ранее полученным по тяговому сопротивлению, но ее увеличение связано с изменением скорости движения машины и передаточного отношения. Глубина обработки почвы составляла 9 см.

Наиболее выгодными с точки зрения затрат энергии могут быть показатели: скорость движения машины 2,0.. .2,5 м/с, передаточное отношение i = 1,5.. .2,0, мощность, необходимая для привода машины, составляет в среднем 4,0 кВт/м.

Таким образом, полученные в результате экспериментальных исследований параметры разработанного автоприводного агрегата позволяют отметить, что по основным показателям оценки качества его работы он вполне соответствует агротребованиям на почвообрабатывающие машины для поверхностного рыхления почвы.

Библиографический список

1. Разработка и обоснование конструкции рабочего органа для поверхостной и мелкой обработки почвы [Текст] / С.Е. Греков, А.Н. Цепляев, В.Г. Абезин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2010. - №

4 (20). - С. 194-200.

2. Энергосберегающая технология поверхностной обработки почвы [Текст] / С.Е. Греков, А.Н. Цепляев, В.Г. Абезин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2010. - №3 (19). - С. 171-177.

E-mail: mshaprov@bk.ru