Зависимость энергетических показателей почвообрабатывающих орудий от формы их рабочих органов

Введение 

Обработка почвы с использованием агрегатов с дисковыми
органами имеют преимущества перед другими почвообрабатывающими орудиями [2, 3, 4, 8, 10, 12].
Диски в качестве рабочих органов имеют простую конструкцию, менее склоны к
забиванию пожнивными и растительными остатками, при этом обеспечивают
качественную обработку почвы при  высокой
производительности [1, 9, 11, 13, 16, 17].

Также известно, что диск в качестве рабочего
органа не удовлетворительно разрезает почвенно-растительную массу, последняя скапливается
перед дисками, в результате увеличивается тяговое сопротивление машины,
снижается качество обработки почвы и производительность агрегата, что являются
основной причиной несоблюдения агротехнических требований к основной и
поверхностной обработке почвы [14, 18, 22, 23, 24].

Обязательным
требованием к почвообрабатывающей и посевной техники является энерго- и
ресурсосбережение, т.к. недостаточное количество новой техники не позволяет
обеспечить меньшего расхода ресурсов, что является сдерживающим фактором широкого
применения энергосберегающих технологий [19, 20, 21, 25].

Также авторами [5, 6, 7, 15]
отмечается, что сошники, используемые на зерновых сеялках, обладают рядом
недостатков, одним из которых является достаточно высокое тяговое сопротивление
зерновой сеялки.

Поэтому повышение качества основной и
поверхностной обработки почвы и снижение энергоемкости почвообрабаты­вающими
орудиями, оснащенными дисками является важной задачей.

Цель исследования: Изучить тяговое сопротивление диска в
зависимости от твердости почвы, скорости перемещения и его конструкции.

Достижение поставленной цели
предусматривает решение следующей задачи:

— определить
влияние формы лезвий серийных и экспериментальных дисков на энергетические
показатели их работы.

Материалы и методы

Объектом
исследования являлись рабочие органы — диски.

Рассматривались две модели рабочих
органов:

– круглые диски диаметром 0,4 и 0,45 м;

– экспериментальные шестиугольные диски
(площади которых  равны площадям круглых
дисков  диаметром 0,4 и 0,45 м).

На диск воздействуют входные
факторы:

V_а –
поступательная скорость, м/с;

R_n – твердость
почвы в канале, МПа;

К_л –
конструкция лезвия (НК и НШ – соответственно нож круглый и нож шестиугольный).

Выходные функции, характеризующие
энергетику ножа:

F₁ –
горизонтальная сила, действующая на диск, кН;

F₂ – реакция
действующая на диск, кН.

В задачу исследования входило определение
взаимодействия входных факторов с выходными показателями дискового ножа.
Входные факторы и выходные показатели можно представить следующей зависимостью:

                                              (1)

Изучению подлежали три фактора
одновременно: (А =V_a; В = R_n; С = К_л).

Влияние каждого фактора и
взаимодействие факторов определяли по формуле:

                                                               ,                                                    (2)

где

– дисперсия соответствующего фактора;

 – остаточная
дисперсия.

Взаимодействие АВС
определяли по формуле:

                      

.                          (3)

Реализация схемы плана
эксперимента показана в таблице 1.

В наших обработках
использовались следующие характеристики:

Средняя арифметическая

                                                   

,                                                       (4)

где  – значение признака,
варианта;

n
– число измеряемых значений.

Таблица 1

Вычисление
эффектов и взаимодействия

Дисперсия S² и стандартное отклонение
(среднее квадратичное отклонение) S:

                                             

,                                                 (5)

                                       

.                                           (6)

Коэффициент вариации

                                               

.                                                   (7)

Ошибка выборочной
средней (ошибки выборки)

                                         

.                                             (8)

Относительная ошибка
выборочной средней (точность опыта)

.                                                 (9)

Наименьшая существенная
разность (НСР)

                                                

,                                                  (10)

где 
        t – критерий Стьюдента;

S_d
– ошибка разности средних.

В таблице 2 тяговое сопротивление диска
представлено в зависимости от его двух градаций (0 – шестиугольная форма; 1 –
круглая форма), твердости почвы (фактор А), поступательной скорости (фактор В)
и конструкции ножа (фактор С).

Таблица 2

Тяговое
сопротивление ножа в зависимости от твердости почвы, скорости перемещения и
конструкции диска

Дисперсионный
анализ трехфакторного опыта с двумя градациями факторов А, В и С (l_А = l_В = l_С = 2), поставленного в четырех
повторениях, слагался из следующих этапов.

Общее число наблюдений

                                              N = l_Al_В l_Cn = 32.

Корректирующий фактор

Суммы квадратов отклонений для
факторов А, В, С и парных взаимодействий АВ, АС и ВС определили, пользуясь
данными вспомогательной таблице 3.

Таблица 3

Сумма
тяговых сопротивлений для вычисления главных эффектов и взаимодействия

 свободы.

Сумма квадратов для тройного
взаимодействия

                  С_АВС = С_V – (С_А + С_В + С_С
+ С_АВ + С_АС + С_ВС) = 3,6.

Результаты и
обсуждения 

В таблице 4 и 5 представлены соответственно результаты
дисперсионных данных и зависимость тягового сопротивления круглого и
шестиугольного дисков от скорости движения, твердости почвы и диаметра.

Таблица 4

Результаты дисперсионных данных зависимости тягового сопротив­ления ножа от
твердости почвы, скорости перемещения и конструкции ножа

Таблица 5

Влияние
скорости движения V, твердости почвы R_п и диаметра диска d на тяговое сопротивление круглого F₁ и шестиугольного F₂ ножей

(h=12*10^-2м;
Wn=22,1%; t=2,01)

Анализируя табл. 4 можно отметить
существенное влияние на тяговое сопротивление ножа твердости почвы (F_Ф = 394,6 >F_{05 теор} = 4,32);
скорости перемещения ножа (F_Ф = 109,3 >F₀₅ = 4,32);
конструкции ножа (F_Ф = 34,6 >F₀₅ = 4,32).

В таблице 6 представлено изменение тягового
сопротивления ножа в зависимости  от скорости
движения, формы лезвия и влажности почвы.

Таблица 6

Изменение
тягового сопротивления ножа P

в
зависимости  от скорости движения V,
формы лезвия

и влажности
почвы W_п(d=0,4 м; h=12∙10^{-2 м;} R_п=0,67 МПа)

На рисунке 1 по результатам
проведенных исследований построены графики изменения тягового сопротивления
ножей в зависимости от скорости движения.

Рис.1  – Изменение тягового сопротивления дисков (F) в зависимости от скорости движения V: — — — диски круглые; –– шестиугольные; 1, 3 – d = 0,45
м;2, 4…10 – d = 0,40 м; 1…6 – w
= 22,1%; 7…10 – w = 14,9%; 1…4 – R_п = 2,38 МПа; 5…6 – R_п = 0,67 МПа; 7…8 – R_п = 1,19 МПа; 9…10 – R_п = 0,62 МПа

Выводы

1.       В результате
проведенных исследований установлено, что при увеличении скорости от 1,44 × 0,277 до
11,2 × 0,277 м/с
тяговое сопротивление круглых и шестиугольных дисков повысилось на
17…24 % (рис. 1 и таблицы 5 и 6).

2.       Установлено,
что при повышении твердости почвы в 3,5 раза увеличивается тяговое
сопротивление шестиугольных и круглых дисков (d = 0,40 м) соответственно в
1,7…2 и 1,9…2,1 раза. При этом тяговое сопротивление шестиугольного диска ниже
круглого (d = 0,40 и d = 0,45 м) на 21,2…21,3 %.

3.       Установлено,
что при изменении влажности почвы от 14,9 до 22,1 % тяговое сопротивление
увеличилось для круглых от 8,41 до 14,22 %, для шестиугольных от 3,7 до 6,9 % дисков.