CC BY
8
Научная статья УДК 631.372:629.114.2
Определение тягового усилия колёсного полурамного энергетического средства с установленным фронтальным прокалывателем-щелерезом в условиях движения по склону
Роман Олегович Сурин, Евгений Евгеньевич Кузнецов, Сергей Васильевич Щитов
Дальневосточный государственный аграрный университет, Благовещенск, Россия
Аннотация. Приведены результаты теоретических исследований по определению влияния конструкции фронтального прокалывателя-щелереза на распределение нормальных реакций почвы на движители полурамного трактора и его тяговые характеристики. Особенностью конструкции полурамных тракторов, в отличие от моноблочных, является неравномерность распределения веса трактора. У моноблочных тракторов основной сцепной вес приходится на задние ведущие колёса, тогда как у полурамных энергетических средств - на передние ведущие колёса. При движении тракторов данного типа на почвах с малой плодородной способностью, в частности на почвах с твёрдым поверхностным глинистым слоем, в движении передние колёса, проваливаясь, срывают верхний плодородный слой почвы, тем самым снижая условия сцепления с почвой и тягово-сцепные свойства ведущих задних колёс. При этом образуется глубокая колея, что негативно сказывается на физико-механических характеристиках почвы и качестве проведения полевых работ. Основываясь на ранее проведённых исследованиях, в целях рационального распределения нормальных реакций почвы на колёсные движители полурамного трактора предлагается перераспределить часть сцепного веса с передних ведущих колёс на задние колёса за счёт установки в передней части трактора устройства - фронтального прокалывателя-щелереза. Это позволит за счёт возникновения дополнительной нагрузки от работы предлагаемого устройства перераспределить нормальные реакции почвы между колёсами трактора и улучшить реализацию мощностных характеристик трактора.
Ключевые слова: фронтальный прокалыватель-щелерез, полурамный трактор, движитель, почва, вес, нормальная реакция почвы, перераспределение.
Для цитирования: Сурин Р.О., Кузнецов Е.Е., Щитов С.В. Определение тягового усилия колёсного полурамного энергетического средства с установленным фронтальным прокалывателем-щелерезом в условиях движения по склону // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 4 (96). С. 117 - 1 22.
Original article
Determination of the traction force of a wheeled semi-frame power vehicle with a front-mounted piercing-cutter on a slope
Roman O. Surin, Evgeny E. Kuznetsov, Sergey V. Shitov
Far Eastern State Agrarian University, Blagoveshchensk, Russia
Abstract. The results of theoretical studies to determine the influence of the design of the frontal slit-cutting piercer on the distribution of normal soil reactions to the propellers of a semi-frame tractor and its traction characteristics are presented. A feature of the design of semi-frame tractors, in contrast to monoblock ones, is the uneven distribution of the weight of the tractor. For monoblock tractors, the main coupling weight falls on the rear drive wheels, while for semi-frame power tools it is on the front drive wheels. When driving tractors of this type on soils with low fertility, in particular, on soils with a hard surface clay layer, in motion, the front wheels, falling through, tear off the upper fertile soil layer, thereby reducing the conditions of adhesion to the soil and the traction and coupling properties of the leading rear wheels. In this case, a deep rut is formed, which negatively affects the physical and mechanical characteristics of the soil and the quality of field work. Based on previous studies, in order to rationally distribute the normal reactions of the soil to the wheel propellers of a semi-frame tractor, it is proposed to redistribute part of the coupling weight from the front drive wheels to the rear wheels by installing a device in the front of the tractor - a frontal piercer-slitter. This will allow, due to the occurrence of an additional load from the operation of the proposed device, to redistribute the normal reactions of the soil between the wheels of the tractor and improve the implementation of the power characteristics of the tractor.
Keywords: front-end puncture-cutter, semi-frame tractor, mover, soil, weight, normal soil reaction, redistribution.
For citation: Surin R.O., Kuznetsov E.E., Shitov S.V. Determination of the traction force of a wheeled semi-frame power vehicle with a front-mounted piercing-cutter on a slope. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 96(4): 117-122. (In Russ.)
Характерной чертой Амурской области является переувлажнение поверхностного слоя почвы, особенно в период посева и сбора урожая. В связи с этим появляется необходимость мелиорации плодородного слоя почвы методом щелевания, что улучшает водопроницаемость почвы, снижая при этом эффект переуплотнения
и формирования плужной подошвы. Таким образом повышаются как тягово-сцепные свойства машинно-тракторных агрегатов, так и сохраняется плодородие почвы с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Как известно, большое влияние на тягово-сцепные свойства колёсных энергетических
средств оказывают рельеф местности и состояние поверхности движения. При этом в условиях склоновых земель за счёт большого стока поверхностных вод происходит переувлажнение склонов и развивается эрозия почвы [1, 2].
Во время работы машинно-тракторных агрегатов с прицепными агрегатами вдоль склона трактор, как правило, затрачивает большую мощность двигателя для преодоления подъёмов, при этом увеличивается его тяговое сопротивление, снижаются скорость движения и его производительность [3].
В целях качественного анализа приспособленности энергонасыщенного полурамного трактора к агрегатированию комбинированными сельскохозяйственными орудиями при преодолении подъёмов и спусков рассмотрим его конструктивные особенности.
Определим распределение составляющих реакций поверхности почвы на колёсный полурамный трактор в серийном варианте с посевным комплексом согласно принципиальной схеме, предложенной на рисунке 1.
Согласно закону динамики любое передвижение колёсного машинно-тракторного агрегата будет возможно при условии:
^у Ядв - ^кр ~ Рб~ Р/ ~ Рд~ Р\у (1)
'кр
Л
Мя
где —--ускорение движения МТА, м/с2;
аХ
Ма - масса машинно-тракторного агрегата, приведённая к поступательному движению, кг;
Р^ - сила сопротивления движению самого энергетического средства, Н.
йУ
Известно [4], что Ма— является силой инер-&
ции, Pj вследствие этого движение МТА можно записать в виде:
^дв = ^кр +Рб + РГ + Ра+Рп + Р}, (2)
Учитывая, что во время посева, сбора урожая сельскохозяйственные агрегатируемые машины работают на небольших скоростях, то в проведённых нами расчётах силой сопротивления воздушной среды можно просто пренебречь.
В связи с физико-механическими свойствами почв, глубиной её обработки некоторые величины из уравнения (2) в процессе работы МТА постоянно будут меняться. Как правило, наивысшим изменениям подвергается сила инерции Pj. Максимальные её значения будут возможны в начале движения колёсного энергетического средства, а также при остановках на подъёмах и спусках.
Таким образом, в результате роста силы сопротивления движению (+ДРс) ускорение, а также сила инерции приобретут отрицательное значение (-Pj), а в случае понижения силы сопротивления (-ДРс) - положительное значение (+Pj). В этом случае скорость движения колёсного машинно-тракторного агрегата будет постоянна, т.е. равна нулю [5]. В результате получим:
^дв = "Ркр + Рб+РГ± Ра. (3)
Из уравнения (3) видно, что тяговое усилие на крюке Ркр будет учитываться движущей силой трактора Рдв за вычетом действующих сил, возникающих при буксовании колёсного движителя Рб и в ходе движения трактора по инерции Р^
Рис. 1 - Схема реакций сил поверхности почвы, действующих на трактор при его движении на подъём:
Рдв - движущая сила трактора, Н; Р„ - сила сопротивления воздушной среды, Н; Ра - сила сопротивления подъёму (спуску), Н; Ркр - сила, действующая на крюк, Н; Р - сила сопротивления движению, Н; Рб -сила, воздействующая при буксовании трактора, Н; Рдв - сила, направленная на создание тягового усилия трактора, Н; Яа - сопротивление агрегата, Н; Яв, Ян - сопротивление почвы в передней и задней части трактора, Н; И - высота подьёма, м; 1 - длина подьёма, м; а - угол подъёма, град.
а также при преодолении им подъёма (при его наличии) Pa, т.е.:
Ркр=Р№-Рб-Рг-Ра- (4)
В этом случае воздействие различных реакций, возникающих при буксовании колёсного полурамного трактора, определим по формуле: Рб = V, (5)
где б - коэффициент буксования.
Сам же коэффициент буксования б будет изменяться в зависимости от покровно-плодородного слоя почвы и возникающей на неё нагрузки веса машинно-тракторного агрегата, но всё же он будет ограничен некоторым определённым значением. В нашем случае он будет составлять б = 0,15 [4 - 7].
Рассмотрим случай, когда колёсный полурамный трактор будет передвигаться по полю с комбинированным сельскохозяйственным агрегатом и у него будет невысокое сцепление с почвой. При этом движущая сила трактора будет зависеть от сцепных свойств энергетического средства и допустимого буксования.
Р6 = XG\i8ñ, (6)
где А - часть веса трактора, приходящаяся на движитель; в нашем случае А = 1 [4]; G - вес трактора, кН;
ц - коэффициент сцепления движителя колёсного трактора с почвой. В случае когда сцепление ведущих колёс полурамного трактора класса 5 - 8 с почвой будет на максимальном уровне, движущая сила станет равна касательной силе трактора.
iVeHri
Рб = 3,6-^, (7)
"т
где - номинальная эффективная мощность двигателя, кВт;
Ц,1 - теоретическая скорость движения трактора на 7-й передаче, км/ч; Пм - механический КПД, учитывающий потери мощности в трансмиссии: для колёсных тракторов пм = 0,91.. .0,92. Сила сопротивления передвижению (каче-нгю) колёсного машинно-тракторного агрегата Pf будет пропорциональна вертикальной составляющей веса трактора Gcosa и будет зависеть от физико-механических свойств почвы, а также от конструкции самого колёсного движителя.
Pf= Gcosa/, (8)
где f - коэффициент сопротивления качению.
При минимальном угле подъёма (до 7.10 град.) можно считать, что cosa ~ 1. Тогда:
Pf= Gf. (9)
Известно, что величина коэффициента сопротивления качению зависит от типа и состояния плодородного слоя почвы, распределения веса трактора по его осям, типа используемого движителя, скоростных характеристик и т.д. Средние значения коэффициента приведены в таблице 1 [4 - 6].
1. Примерные значения коэффициента сопротивления качению /
Агрофон Колёсный трактор
Сухая грунтовая дорога 0,03...0,05
Залежь 0,03...0,06
Стерня нормальной влажности 0,06.0,08
Почва, подготовленная под посев, свежевспаханное поле, чистый пар 0,16.0,20
В этом случае сила, затрачиваемая колёсным полурамным энергетическим средством на преодоление подъёма (спуска) Pa, будет зависеть лишь от веса самого трактора и величины угла подъёма, т.е. Pa = Gsina. Однако при малых значе-
h
ниях угла a можно сказать, что sina « tana = — = i (рис. 1). Таким образом уклон i будет зависеть от:
Ра = ±GÍ/100, (10),
где знак «+» будет соответствует подъёму, а знак «-» спуску машинно-тракторного агрегата. Исходя из этого Pf и Pa будут определяться по выражению:
(11)
/а - ^ ^ 100'
Далее из уравнения тягового баланса (3) с
учётом выражений (6), (7) и (11) тяговое усилие, возникающее на крюке колёсного полурамного энергетического средства (рис. 1), будет вычисляться по формулам:
при нормальном сцеплении движителя с почвой:
Якр = 3,6-^(1-6)-Са±—), (12)
при недостаточном сцеплении движителя с почвой:
Ркр = ЛСц5д(1 -8)-С(/± (13)
Определим вертикальные составляющие силовой реакции поверхности почвы на колёсный полурамный трактор с установленным фронтальным прокалывателем-щелерезом в рабочем состоянии, используя схемы на рисунке 2 А и 2 Б. Для этого рассмотрим составную конструкцию в виде отдельных элементов: трактор + прокалыватель-щелерез [8 - 10].
Согласно рисунку 2 А составим уравнения равновесия для элемента составной конструкции трактор:
^кх = 0 -х'сРрС05 (Р + ср) + Дгор= 0; (14)
= 0 у'с Рр«п(р + Ф) -- Сщ + Двер = 0; (15) Рр вт(р + ф) гсовр + ЕМс(^) = 0 +Срасозр + СщЬсоэр - (16)
-Дгор(/1 + ¿этр) - Дцер/ховР = 0.
Из выражения (16) определим рабочее усилие в нагружающем гидроцилиндре при работе устройства:
р _ Ягор(йг+1,5т(3)+ДверЬсо5(3-Срасо5(3-(;щЬсо5(5 (17) р зт(р+ср)гсозр
А
Рис. 2 - Схема к определению реакций поверхности почвы на колёсный полурамный трактор с установленным фронтальным прокалывателем-щелерезом в рабочем состоянии (А - элемент трактор; Б - элемент прокалыватель-щелерез): Иг - расстояние от поверхности почвы до точки прокалывания почвенного пласта, м; Рр -усилие в нагружающем гидроцилиндре для удержания устройства в рабочем положении, м; ^гОр - горизонтальное сопротивление почвы, действующее на лучеобразный прокалывающий рабочий орган, Н; _Квер -вертикальное силовое сопротивление почвы прокалыванию, действующее на лучеобразный прокалывающий рабочий
Б
орган, Н; х'с и у'с - силы, действующие на переднюю часть трактора в точке с; углы ф и в определяются конструктивно, зависят от заглубления рабочих органов вспомогательного устройства, град; В - расстояние между передними и задними колёсами трактора, м; Ь - расстояние от передней опоры трактора до точки с, м; Ьв и Ьн - расстояние от центра тяжести передней и задней части трактора до точек опоры в верхней и нижней точке, м
Из выражений (16) и (17) определим реакции в точке с:
Ус = Рр эшСР + ф) + + бщ - Квер, или с учётом выражения (17):
ДгорС^г + ¿БтР) + Двер1С05Р -—СрасозЗ — СщЬсобР
Ус =
/соэр
+ (18)
+ Ср + — Двер
Тогда х'с = Р„ собСР + ф) + Дгор, а с учётом
выражения 17:
гор'
-ерасозр-Сщ1,со5р
X
(19)
с Iсоэр
X С1ё(р + ф) + Дгор. Согласно схеме на рисунке 2 Б составим уравнения равновесия для элемента составной конструкции трактора прокалыватель-щелерез:
Т,М1(Рк) = О С3Ь3 + СП(В-ЬП)~
-у^В-Гс11-ус{В + Ь) = 0; (20)
£М2(Рк) = 0 у3В- СПЬП - С3(В - Ь3) -
-Гск-усЬ = 0. (21)
Из выражения (20) определим вертикальную составляющую реакции почвы на переднюю опору трактора:
в3Ь3 + вп(В - Ьп) - гсК - ус(В + Ь)
й„ =
В
= С3Ь3 + СП(В-ЪП) х'ск + у'с(В + Ь)
В В '
Или с учётом выражений (18) и (19) получим: С3Ь3 + СП(В - Ьп)
В
Г«гор№г+^т|3)+Явер1соз|3-| | - брасоэ р-Сщ^соэ р |
¡сояр
+ ф) +
+дгор/1 +
-Срасовр—СщЬсовр ) (В+Ь)
Двер)
Iсоэр В
(В+Ь)
+
или
R» =
G3b3 + Gn(B - bu) В
rfir0p(hr+Lsinß)+ÄBepLcosß-| I -Gpacosß-GnjLcosß J
X
icosßß
x (ctg(ß + ф) h + В + b) + _+Ягор в + (G„ + — йвер) ^
Р^ ■ V 11 ■ щ веру £
Из выражения (22) определим вертикальную составляющую реакции почвы на заднюю опору трактора:
R« =
GuK + G3(B - b3) x'ch + ycb
В В '
или с учётом выражений (18) и (19) получим:
Ян =
Спйп + G3(B - Ь3) В
+
+
'Rrop(7ir+Lsinß)+ßBepLcosß--Gpdcosß-GujLcosß
I cosßß
X
, ч h
xctgCß + ф )h + Rrop- +
+
ÄropClr+bsinß)+ßBepLcOSß--Gpacosß-G„,Lcosß
в
или
l cosß
b
+(G„ + - RBep) • —,
_ Gubn + G3(B - b3) |
ß„- д +
fÄrop(7ir + Lsinß) + ÄBepicosß -) [ —Gpacosß — GniLcosß
lcosßß
x
h
* (ctg(ß + ф) Л + Ь) + йгор — +
+ + Сщ - Двер) • ^
Исходя из анализа полученных выражений (22) и (23) можно сделать вывод, что при работе предлагаемого устройства - фронтального прокалывателя-щелереза передняя опора трактора разгружается на величину, полученную уравнением (22), а задняя опора трактора загружается на величину, обозначенную уравнением (23).
Вывод. Передаваемая на заднюю опору трактора вертикальная нагрузка, получаемая при перераспределении сцепного веса между опорами, позволит увеличить тягово-сцепные свойства полурамного трактора, улучшить его проходимость, снизить буксование и техногенное воздействие ходовой системы на обрабатываемые почвы.
Список источников
1. Кузнецов Е.Е., Щитов С.В., Поликутина Е.С. Повышение продольно-поперечной устойчивости и снижение техногенного воздействия на почву колёсных мобильных энергетических средств: монография. Благовещенск: Изд-во Дальневост. гос. аграр. ун-та, 2020. 148 с.
2. Кузнецов Е.Е., Щитов С.В. Повышение эффектив-(22) ности использования мобильных энергетических средств
в технологии возделывания сельскохозяйственных культур: монография. Благовещенск, 2017. 272 с.
3. Сурин Р.О., Кузнецов Е.Е., Щитов С.В. Сравнительный анализ способов агрегатирования комбинированных машин с полурамным трактором // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 177 - 182.
4. Карабаницкий А.П., Кочкин Е.А. Теоретические основы производственной эксплуатации МТП. М.: КолосС, 2012. 86 с.
5. Зангиев А.А., Скороходов А.Н. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка. М.: КолосС, 2006. 317 с.
6. Методы оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров тракторных транспортно-технологических агрегатов: монография / Н.Ф. Скурятин, Е.В. Соловьев, С.В. Соловьёв и др. М.; Белгород: ООО «Издательско-книготорговый центр Колосс», 2020. 129 с.
7. Перераспределение сцепного веса в составе машинно-тракторного агрегата при проведении предпосевной обработки / С.В. Щитов, П.В. Тихончук, Е.Е. Кузнецов и др. // Дальневосточный аграрный вестник. 2017. № 1 (41). С. 88 - 95.
8. Расчёт реакций конструкции фронтального прокалывателя-щелереза при работе на склонах / Р.О. Сурин, Е.Е. Кузнецов, С.В. Щитов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 2 (94). С. 155 - 160
9. Перспективные конструктивные схемы сельскохозяйственных машин для проведения полевой обработки почвы / Р.О. Сурин, А.Е. Слепенков, С.В. Щитов и др. // Евразийское Научное Объединение. 2020. № 7-2 (65). С. 132 - 135.
10. Сурин Р.О., Кузнецов Е.Е., Щитов С.В. Влияние установки прокалывателя-щелевателя на распределение нормальных реакций почвы и нагрузки на движители полурамного трактора / [Электронный ресурс] // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. 2021. № 2. URL: http://agroecoinfo.ru/ STATYI/2021/2/st_217.pdf.
References
1. Kuznetsov E.E., Shchitov S.V., Polikutina E.S. Improving the longitudinal-transverse stability and reducing the technogenic impact on the soil of wheeled mobile power vehicles: monograph. Blagoveshchensk: Dalnevost Publishing House. state agrarian un-ta, 2020. 148 p.
2. Kuznetsov E.E., Shitov S.V. Improving the efficiency of the use of mobile energy in the technology of cultivating agricultural crops: monograph. Blagoveshchensk, 2017. 272 p.
3. Surin R.O., Kuznetsov E.E., Shitov S.V Comparative analysis of the methods of aggregation of combined machines with a semi-frame tractor. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 177-182.
4. Karabanitsky A.P., Kochkin E.A. Theoretical foundations of the production operation of the MTP. M.: KolosS, 2012. 86 p.
5. Zangiev A.A., Skorokhodov A.N. Workshop on the operation of the machine and tractor fleet. M.: KolosS, 2006. 317 p.
(23)
6. Methods for optimizing the design and operational parameters of tractor transport-technological units: monograph / N.F. Skuryatin, E.V. Solovyov, S.V. Solovyov et al. M.; Belgorod: Colossus Publishing and Bookshop Center LLC, 2020. 129 p.
7. Redistribution of the coupling weight in the composition of the machine-tractor unit during pre-sowing treatment / S.V. Shitov, P.V. Tikhonchuk, E.E. Kuznetsov et al. Far East Agrarian Bulletin. 2017. 41(1): 88-95.
8. Surin R.O., Kuznetsov E.E., Shitov S.V. et al. Calculation of the reactions of the design of the frontal piercer-
slit-cutter when working on slopes. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022. 94(2): 155-160.
9. Perspective design schemes of agricultural machines for field tillage / R.O. Surin, A.E. Slepenkov, S.V. Shitov et al. Eurasian Scientific Association. 2020; 65(7-2): 132-135.
10. Surin R.O., Kuznetsov E.E., Shitov S.V. Influence of the installation of a piercer-slotter on the distribution of normal reactions of the soil and the load on the propellers of a semi-frame tractor / [Electronic resource]. AgroEcoInfo: Electronic scientific and production journal. 2021; 2. Access mode: http://agroecoinfo.ru/STATYI/2021/2/st_217.pdf.
Роман Олегович Сурин, аспирант, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7667-551Х
Евгений Евгеньевич Кузнецов, доктор технических наук, доцент, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0725-4444
Сергей Васильевич Щитов, доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2409-450X
Roman O. Surin, postgraduate, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7667-551Х
Evgeny E. Kuznetsov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0725-4444
Sergey V. Shitov, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2409-450X
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 25.04.2022; одобрена после рецензирования 11.05.2022; принята к публикации 06.06.2022.
The article was submitted 25.04.2022; approved after reviewing 11.05.2022; accepted for publication 06.06.2022. -♦-
Научная статья УДК 631.312.021.6
Особенности технологического процесса вспашки почвы дисковым плугом
Алексей Евгеньевич Матущенко, Александр Александрович Полуэктов,
Мовсес Дмитриевич Сарксян
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
Аннотация. Изучена способность дискового плуга обрабатывать влажную, пластичную почву без образования плужной подошвы. При определённых режимах работы он может оставлять большую часть растительных остатков незаделанными, что является положительным обстоятельством при обработке почв, подверженных эрозии. Рассмотрены особенности технологического процесса вспашки дисковыми рабочими органами. Получены формулы для определения зоны чистого сдвига, резания и отрыва почвы лезвием диска в зависимости от кинематических и конструктивных его параметров, расчёта коэффициента трения почвы о материал диска. Результаты исследования позволяют оценить технологические преимущества дискового рабочего органа перед лемешно-отвальным в конкретных условиях.
Ключевые слова: технология обработки почвы, плуг, диск, пласт, радиус сферы, абсолютная скорость.
Для цитирования: Матущенко А.Е., Полуэктов А.А., Сарксян М.Д. Особенности технологического процесса вспашки почвы дисковым плугом // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 4 (96). С. 122 - 127.
Original article
Features of the technological process of plowing the soil with a disc plow
Alexey E. Matushchenko, Aleksandr A. Poluektov, Movses D. Sarksyan
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
Abstract. The ability of a disc plow to process wet, plastic soil without the formation of a plow pan has been studied. Under certain operating conditions, it can leave most of the plant residues uncovered, which is a positive circumstance when processing soils subject to erosion. The features of the technological process of
