Научные принципы разработки почвообрабатывающих агрегатов с улучшенными эксплуатационными показателями

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_

https://rg.ru/2013/01/16/apk-dok.html

УДК 631.311:531.39 Б01 10.24411/0131-5226-2018-10061

НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

Н.И. Джабборов, д-р техн. наук; Г. А. Семенова

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

Повышение энергетической эффективности технологических процессов обработки почвы является актуальной проблемой, так как в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур на обработку почвы в среднем приходится 40 % совокупных затрат энергии на технологии. Целью исследований является обоснование научных принципов, обеспечивающих разработку и создания энергоэффективных почвообрабатывающих агрегатов с улучшенными динамическими показателями. Объектами исследований являлись технологические процессы и технические средства обработки почвы. Предметом исследований являлись методы, способы, методики и принципы разработки новых эффективных технологий, технологических процессов и технических средств обработки почвы. Научную новизну работы представляют разработанные авторами научные принципы максимальной унификации, оригинальности и уникальности конструкции рабочих органов, автономности функционирования и единства автономно функционирующих динамичных почвообрабатывающих рабочих органов. При проведении исследований применялись методы системного анализа, обобщения и оценки соответствующей научной литературы. Принцип максимальной унификации в процессе конструирования почвообрабатывающих агрегатов обеспечит удобство их использования при выполнении различных технологических операций по обработке почвы различными способами и приемами. Принцип оригинальности и уникальности при конструировании рабочих органов, доказывает новизну предложенной разработки. Принцип автономного функционирования динамичного почвообрабатывающего рабочего органа базируется на возможности конструкции, обеспечивающей вариацию конструктивно-технологических параметров в установленных допустимых пределах в зависимости от изменения характеристик почвы. Принцип единства автономно функционирующих динамичных почвообрабатывающих рабочих органов базируется на учёте функциональной связи общей площади фронтальной проекции всех рабочих органов с отдельно взятой площадью фронтальной проекции одного динамичного рабочего органа и других конструктивно-технологических параметров. Применение изложенных научных принципов, наряду с известными научными принципами оптимального проектирования, позволяет разработать почвообрабатывающие агрегаты с улучшенными динамическими показателями, обеспечивающими энергоэффективность технологии обработки почвы.

Ключевые слова: научный принцип; обработка почвы; почвообрабатывающий агрегат; динамический показатель; энергоэффективность.

Для цитирования: Джабборов Н.И., Семенова Г. А. Научные принципы разработки почвообрабатывающих агрегатов с улучшенными эксплуатационными показателям

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.

_ИАЭП. 2018. Вып. 96_

// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 85-93.

SCIENTIFIC PRINCIPLES FOR DEVELOPMENT OF TILLAGE UNITS WITH IMPROVED

PERFORMANCE INDICATORS

N.I. Dzhabborov, DSc (Engineering); G.A. Semenova

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

Improving the energy efficiency of technological processes of tillage is an urgent issue as the soil tillage accounts for 40% average of the total energy inputs in the farm crop cultivation technologies. The aim of the study was to substantiate the scientific principles for designing and manufacture of energy-efficient soil tillage units with improved dynamic parameters. The objects of research were technological processes and tillage machines and equipment. The subject of research was the methods, techniques and principles for the development of new efficient technologies, technological processes, machines and equipment associated with tillage. The scientific novelty of the work was manifested in the scientific principles of maximum unification, originality and uniqueness of the working tools design, autonomy of operation and unity of autonomously functioning dynamic tillage working tools. The methods of system analysis, synthesis and review of relevant scientific literature were used in the study. The principle of maximum unification in the process of designing the soil-tilling units will ensure the convenience of their use when performing various tillage operations in various ways and techniques. The principle of originality and uniqueness in working tools designing proves their novelty. The principle of autonomous operation of a dynamic soil tilling working tool is based on the property of the structure to vary the design and technological parameters within the established permissible limits with the changes in soil characteristics. The principle of unity of autonomously functioning dynamic soil tilling working tools takes into account the functional connection of the total area of frontal projection of all working tools with a single area of frontal projection of one dynamic working tool and other structural and technological parameters. Application of the stated scientific principles, along with the well-known scientific principles of optimal designing, allows to develop the tillage units with improved dynamic performance, ensuring high energy efficiency of the soil tillage technology.

Key words: scientific principles; soil tillage; soil tilling unit; dynamic indicator; energy efficiency.

For citation: Dzhabborov N.I., Semenova G.A. Scientific principles for development of tillage units with improved performance indicators. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3

Введение

В современных технологиях

возделывания сельскохозяйственных

культур на обработку почвы в среднем

приходится 40

энергетических затрат

всего объема полевых работ и до 20% энергии потребляемой в сельском хозяйстве

[1,3,4].

Основными показателями, обеспечивающими экономию энергии при

выполнении технологических процессов обработки почвы, являются коэффициент полезного действия энергетических средств, производительность и расход топлива на единицу выработки почвообрабатывающих агрегатов [2, 5, 7].

Основными критериями оценки эффективности технологии обработки почвы

технологического процесса, максимум КПД

энергетических средств, максимум производительности почвообрабатывающих агрегатов, минимум удельного расхода топлива на единицу выполненной работы [7].

эксплуатационных условиях подвергаются непрерывно изменяющимся внешним воздействием. Случайных характер изменений внешних воздействий

обусловливает колебания нагрузки и других

почвообрабатывающих агрегатов [2, 9].

Одним из основных путей повышения энергетической эффективности технологии обработки почвы является улучшение динамических показателей

почвообрабатывающих агрегатов [8, 9]. Для разработки почвообрабатывающих агрегатов необходимо учесть известные научные принципы, изложенные в работе [6], и предложенные нами новых научных принципов максимальной унификации,

конструкции рабочих органов и т.д. Обоснованные научные принципы в целом выполняют интегрирующую и

синтезирующую роль при оптимальном проектировании энергоэффективных

технологических процессов и технических средств обработки почвы.

Материалы и методы

Целью исследований является обоснование научных принципов, обеспечивающих разработку и создания энергоэффективных почвообрабатывающих агрегатов.

Объектами исследований являлись технологические процессы и технические средства обработки почвы.

Предметом исследований являлись закономерности изменения показателей оценки эффективности технологических процессов обработки почвы.

При проведении исследований применялись методы системного анализа,

обобщения и оценки научной литературы, где были опубликованы материалы по

формирования эффективных технологий и технических средств в растениеводстве.

При проведении исследований также применялись теоретические методы моделирования, основанные на изучении физических закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы; системный

экспериментальных данных, полученных в разные годы собственными исследованиями и исследованиями других авторов.

Результаты и обсуждение

Изложенные ниже научные принципы это основа, на которой должны базироваться разработка почвообрабатывающих рабочих органов, которые приобретают новые свойства динамичности. Динамичные рабочие органы должны обеспечить высокую эффективность функционирования

сравнению с приметаемыми в настоящее время техническими средствами обработки почвы в растениеводстве.

Принцип максимальной унификации с однотипными почвообрабатывающими агрегатами.

В процессе конструирования

максимальная унификация позволяет их использование для выполнения различных технологических операций по обработке почвы различными способами и приемами.

Унификация существенно сокращает время, затраты энергии, труда и денежных средств на техническое обслуживание и

почвообрабатывающих агрегатов.

Максимальная унификация повышает серийность операций и выпуска почвообрабатывающих машин, что позволит сократить время на подготовку производство для их выпуска.

КБЫ 0131-5226. Теоретический _ИАЭП. 2018.

и научно-практическии журнал. Вып. 96_

К

у ~ моб.

Конструктивный уровень унификации можно определить коэффициентом, представляющим отношение массы Му унифицированных узлов, деталей к общей массе М0б почвообрабатывающей машины:

Заранее заложенная в конструкции почвообрабатывающих машин унификация также упрощает их совершенствование и адаптации к новым конкретным условиям работы.

Разнообразие получаемых модификаций почвообрабатывающего агрегата при этом основывается на наличии у них базовой части и дополнительных частей, создающих такое разнообразие.

В проектированном и созданном в ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ экспериментальном образце универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 базовую часть составляют основная и дополнительная рама. А дополнительными частями являются блок

почвообрабатывающие рабочие органы.

Произведенный расчет показал, что уровень унификации разработанных ранее четырех модификаций УКПА-2,4 с учетом формулы (1) составляет: Ку = — = 2121. — 0,565.

у Моб 2113,5

Уровень унификации 0,565 означает, что на данном этапе разработки базовые и дополнительные части универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 унифицированы на 56,5 %.

С учетом того, что на основе разработки новых рабочих органов с новыми свойствами, можно увеличить количество модификаций УКПА-2,4, есть возможность и резервы повышения уровня унификации данного почвообрабатывающего агрегата.

Принцип оригинальности и

уникальности конструкции основан на новизну разработанных рабочих органов.

Оригинальность почвообрабатывающих рабочих органов заключается в первичности их конструкции с использованием в них новых элементов обеспечивающих способность автоматически настраиваться к почвенным условиям.

Конструкция новых рабочих органов, вследствие применения упругих элементов при изготовлении отдельных частей, приобретает необычное свойство -динамичности.

Уникальность конструкции новых рабочих органов - это отсутствие аналогов в стране и зарубежом. Конструкция таких рабочих органов обеспечивает изменение и колебание углов резания и крошения, площади фронтальной проекции, не встречающихся в среде общеизвестных стандартных рабочих органов.

конструкции подтверждаются патентами на изобретения или на полезную модель.

Оригинальность конструкции рабочих органов для обработки почвы, по сравнению со стандартными рабочими органами, может в некоторой степени снизить уровень

почвообрабатывающих

унификации агрегатов.

конструкции должны быть направлены на простоту конструкции с целью получения новых свойств, простоты обслуживания и восстановления, обеспечения высокого качества работы и энергоэффективности процесса, по сравнению со стандартными рабочими органами.

динамичных рабочих органов ещё заключается в том, что быстро изнашивающие детали после достижения предельно допустимого значения износа

легко заменяются, а основа конструкции остается неизменным.

Эффективность оригинальности и уникальности конструкции динамичных почвообрабатывающих рабочих органов по сравнению с стандартными рабочими органами необходимо оценить по следующим показателям:

- стоимость их изготовления и обслуживания в процессе эксплуатации;

- обеспечения заданного уровня качества обработки почвы;

- обеспечение заданной долговечности и надежности работы;

минимизация затрат на техническое обслуживание, ремонт и восстановление;

- удельные затраты энергии на единицу выполненной работы;

- удельный расход топлива на единицу выполненной работы.

На эффективность оригинальных и

почвообрабатывающих рабочих органов влияют следующие факторы:

- соответствие основных свойств выбранных материалов, для изготовления отдельно взятых элементов конструкции рабочих органов;

технологические возможности

изготовления динамичных рабочих органов; -обоснование и выбор рациональной схемы

почвообрабатывающих рабочих органов;

- возможность регулировки и изменения углов резания и крошения, а также площади фронтальной проекции динамичных рабочих органов в допустимых пределах.

Уникальность динамичных рабочих органов и их конструкции проявляются:

в отсутствии аналогов в стране и зарубежом;

в возможности достижения с их использованием более высокое качество технологического процесса;

в свойстве их динамичности, автоматической настройки к почвенным условиям в зависимости их твёрдости и плотности почвы;

в возможности проведения с их использованием фундаментальных

исследований;

экономическая целесообразность разработки, изготовления и применения в производстве.

динамичных рабочих органов подтверждена патентами [10, 11].

Принцип автономности

работы) динамичных почвообрабатывающих рабочих органов.

функционирования каждого отдельно

почвообрабатывающего рабочего органа базируется на возможность конструкции, обеспечивающая вариацию конструктивно-технологических параметров в

установленных допустимых пределах в зависимости от изменения характеристик почвы.

Тяговое сопротивление динамичного почвообрабатывающего рабочего органа при этом можно определить по формуле [12]:

Яро =

к -Т -V -Кро

^д 1 П У р 1 2

где - коэффициент террадинамического сопротивления рабочего органа; Тп -твердость почвы; Ур — скорость движения

рабочего органа; Р*ро - площадь

фронтальной проекции одного рабочего органа при заданной глубине обработки почвы.

Математическая модель (2) показывает, что тяговое сопротивление отдельного рабочего органа прямо пропорционально твердости почвы, скорости движения, площади его фронтальной проекции и

коэффициенту террадинамического

сопротивления. Даже при постоянстве скорости движения Ур изменение твердости

почвы Тп приводит к изменению Р*ро площади фронтальной проекции и других геометрических параметров рабочего органа.

Принцип единства автономно

почвообрабатывающих рабочих органов.

Принцип единства автономно

почвообрабатывающих рабочих органов базируется на учёте функциональной связи общей площади фронтальной проекции всех рабочих органов с отдельно взятой площади фронтальной проекции одного динамичного рабочего органа и других конструктивно-

батывающей машины.

Из выражения (3) видно, что общее тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины также прямо пропорционально твердости почвы, скорости движения, коэффициенту и Р* площади фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины.

При совместной работе динамичных рабочих органов площадь их фронтальной проекции будет равен:

где п ~ количество динамичных рабочих органов в почвообрабатывающей машине.

Принципы автономности и единства

почвообрабатывающих рабочих органов требуют дальнейшего своего развития с целью математического описания процесса обработки почвы одним рабочим органом самостоятельно (автономно) и при их совместной работе.

улучшенными динамическими показателями помимо вышеназванных принципов необходимо руководствоваться ранее разработанными научными принципами, такие как принцип обеспечения совершенства технических средств; принцип учета террадинамического сопротивления и принцип повышения ресурса рабочих органов и технических средств.

Выводы

Исследования отечественных и зарубежных ученых свидетельствуют о том, что ими разработаны научные принципы создания эффективных технических средств для обработки почвы в различных почвенно-рельефных и климатических условиях.

Наши исследования, проведенные в ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, за последние 10 лет показали, что с развитием современных инновационных технологий, имеются резервы повышения эффективности качества технологии обработки почвы и соответствующих технических средств. Одним из таких резервов повышения эффективности и качества обработки почвы является разработка научных основ создания

улучшенными динамическими показателями.

Для разработки таких агрегатов возникла необходимость в разработке новых научных принципов, дополняющих систему общеизвестных научных принципов для создания высокоэффективных почвообрабатывающих агрегатов, обеспечивающих

технологических параметров.

Тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины с динамичными рабочими органами можно определить из формулы [12]:

^ Щ)

К .р .у1.р

д П р 1 2

где Т7* - площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы; Кд - коэффициент террадинамического сопротивления почвообра-

повышение их КПД, энергоэффективность и качества обработки почвы в целом.

Применение изложенных научных принципов при разработке почвообрабатывающих агрегатов позволяет улучшить их динамические показатели за счет

простоты конструкции рабочих органов с новыми свойствами, простоты обслуживания и восстановления, обеспечит высокое качество работы и энергоэффективность процесса по сравнению со стандартными рабочими органами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Труфанов В.В. Глубокое чизелевание почвы/ВАСХНИЛ. М.: Агропромиздат 1989. 140 с.

2. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-

Ленинградское отделение, 1978. 296 с.

Механизация обработки почвы и посева в Нечерноземной зоне. М.: Россельхозиздат, 1977. 190 с.

4. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин.М.: Машиностроение, 1977. 328 с.

5. Елизаров В.П., Колос В.А., Сапьян Ю.Н., Максимов Д.А., Морозов Ю.Л., Измайлов А.Ю. Методика топливно-энергетической оценки производства продукции растениеводства/М.: ВИМ, 2012. 81 с.

6. Джабборов Н.И., Федькин Д.С. Научные принципы повышения энергоэффективности технологических процессов обработки почвы техническими средствами блочно-модульной структуры // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 3 (13). С. 58 -61.

7. Джабборов Н.И., Эвиев В.А., Очиров Н.Г.

технологических процессов и технических средств в растениеводстве //Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее

профессиональное образование, 2018, № 2 (50). С. 317-322.

8. Джабборов Н.И., Максимов Д. А., Семенова Г. А. Оценка тягово-динамических показателей почвообрабатывающих агрегатов // Технологии и технические средства механизированного производства

животноводства.№ 93. 2017. С. 53-64.

9. Джабборов Н.И., Добринов A.B., Эвиев В.А., Федькин Д.С. Основы повышения энергоэффективности технологических процессов и технических средств обработки почвы. - СПб-Элиста, Изд-во Калм. ун-та, 2016. 168 с.

10. Джабборов Н.И., Евсеева С.П., Семенова Г. А. Рабочий орган для рыхления почвы //Патент РФ на полезную модель № 169104

реестре полезных моделей Российской Федерации 03 марта 2017 г.

11. Джабборов Н.И., Захаров А.М., Семенова Г. А. Рабочий орган для рыхления почвы //Патент РФ на полезную модель 182130. Дата государственной регистрации в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 03 августа 2018 г.

12. Джабборов Н.И., Захаров А.М. Методика определения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих машин с учетом террадинамического сопротивления рабочих органов //Молодой ученый. 2016. № 15 (119), август-1. С. 241-250.

REFERENCES

1. Trufanov V.V. Glubokoe chizelevanie pochvy [Deep chiseling of soil]. Moscow: Agropromizdat, 1989: 140.

2. Ageev L.E. Osnovy rascheta optimal'nykh i dopuskaemykh rezhimov raboty mashinno-traktornykh agregatov [Basics for calculating the optimal and allowable operation modes of machine-tractor units]. Leningrad: Kolos, Leningradskoe otdelenie, 1978: 296.

3. Vainrub V.I., Doganovskii M.G. Mekhanizatsiya obrabotki pochvy i poseva v Nechernozemnoi zone [Mechanisation of tillage and seeding in the Nonchernozem Zone]. Moscow: Rossel'khozizdat, 1977: 190.

4. Sineokov G.N., Panov I.I. Teoriya i raschet pochvoobrabatyvayushchikh mashin [Theory and calculation of tillage machines]. Moscow: Mashinostroenie, 1977: 328.

5. Elizarov V.P., Kolos V.A., Sap'yan Yu.N., Maksimov D.A., Morozov Yu.L., Izmailov A.Yu. Metodika toplivno-energeticheskoi otsenki proizvodstva produktsii rastenievodstva [Assessment methods of crop production in terms of fuel and energy inputs]. Moscow: VIM, 2012: 81.

6. Dzhabborov N.I., Fed'kin D.S. Nauchnye printsipy povysheniya energoeffektivnosti tekhnologicheskikh protsessov obrabotki pochvy tekhnicheskimi sredstvami blochno-modul'noi struktury [Scientific principles for improving the energy efficiency of technological processes of tillage with machines and equipment of block-modular structure]. Innovatsii v sel'skom khozyaistve. 2015, N 3

7. Dzhabborov N.I., Eviev V.A., Ochirov N.G. Otsenka energoeffektivnosti tekhnologicheskikh protsessov i tekhnicheskikh sredstv v rastenievodstve [Evaluation of energy efficiency of technological processes, machines and

equipment in crop production]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversite tskogo

kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2018, N 2

8. Dzhabborov N.I., Maksimov D.A., Semenova G.A. Otsenka tyagovo-dinamicheskikh pokazatelei pochvoobrabatyvayushchikh agregatov [Assessment of traction and dynamic indicators of soil tilling units]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva, 2017, N 93: 53-64.

9. Dzhabborov N.I., Dobrinov A.V., Eviev V.A., Fed'kin D.S. Osnovy povysheniya energoeffektivnosti tekhnologicheskikh protsessov i tekhnicheskikh sredstv obrabotki pochvy [Basis for improving the energy efficiency of technological processes, machines and equipment for soil tillage]. Saint Petersburg-Elista, Kalmyk Univ. Publ., 2016: 168.

10. Dzhabborov N.I., Evseeva S.P., Semenova G.A. Rabochii organ dlya rykhleniya pochvy [Working tool for soil loosening]. Patent RF on utility model N 169104, 2017.

11. Dzhabborov N.I., Zakharov A.M., Semenova G.A. Rabochii organ dlya rykhleniya pochvy. [Working tool for soil loosening]. Patent RF on utility model N 182130. 2018.

12. Dzhabborov N.I., Zakharov A.M. Metodika opredel eniya energotekhnol ogi cheskikh parametrov pochvoobrabatyvayushchikh mashin s uchetom terradinamicheskogo soprotivleniya rabochikh organov [Method to determine the energy and technology parameters of soil-tilling machines taking into account the terra-dynamic resistance of the working tools]. Molodoi uchenyi, 2016, N 15