Оценка энергетических параметров агрегата для глубокой чизельной обработки почвы

На полях вследствие многократного прохода тяжелых МТА происходит уплотнение почвы на значительные глубины. Уплотненная почва и «плужная подошва» появляются вследствие вспашки отвальными плугами на постоянную глубину, препятствуют проникновению корневой системы в нижние слои почвы и способствуют застою воды в пахотном горизонте, ухудшают водно-воздушный режим корневой системы растений и в конечном итоге приводят к снижению урожайности [1–4, 7, 8].

Эти отрицательные явления можно устранить, используя глубокое рыхление почвы на глубину 35–40 см и более, используя различные глубокорыхлители.

Отечественными и зарубежными учеными созданы различные варианты чизельных плугов-глубокорыхлителей для обработки почвы на глубину 20–45 см, и специальные глубокорыхлители, для обработки почвы на глубину 60 см и более.

Исследованиями установлено, что в Нечерноземной зоне чизелевание на глубину 38–40 см способствует отводу избыточной влаги из пахотного в нижние слои, что ускоряет созревание почвы весной.

В ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии в 2011–2012 гг. был разработан новый рабочий [5] и создан экспериментальный образец комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы [6] (рисунок 1 и 2).

Следует отметить, что конструкция проектируемого агрегата для глубокого рыхления почвы, благодаря симметричности конструкции, в зависимости от скоростных режимов и тяговые возможности трактора позволяет регулировать ширину захвата снятием крайних рабочих органов.

Конструкция машины позволяет установить три варианта ширины захвата агрегата: 1) —  2) —  3) — . То есть, изменяя ширину захвата машины ее можно агрегатировать с тракторами различных классов тяги в зависимости от имеющихся в хозяйствах энергетических средств. При этом конструкция рамы и рабочих органов для глубокого рыхления позволяет производить рыхление почвы в один ярус, а также в два яруса, с разницей глубины обработки в 100–150 мм.

Рис. 1. Общий вид агрегата МТЗ-920+УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы (угол атаки рабочих органов 90º)

Рис. 2. Расположение рабочих органов в 1 ряд (угол атаки рабочих органов 81º, вид справа)

Как известно, внешними воздействиями МТА являются конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы (сопротивление почвы, профиль поверхности поля, рельеф местности, влажность почвы и т. д.) особо следует выделить из их числа тяговое усилие (или тяговое сопротивление) агрегата.

В ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии в 2012 году были проведены экспериментальные исследования УКПА-2,4 при глубокой чизельной обработке почвы в агрегате с трактором класса 1,4 (МТЗ-920).

В процессе обработки экспериментальных данных были получены вероятностно-статистические характеристики данного параметра в различных и скоростных режимах работы агрегата.

В таблицах 1–5 приведены средние значения, среднеквадратические отклонения и коэффициенты вариации тягового сопротивления универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 с трактором МТЗ-920 на различных скоростях его работы.

Таблица 1

Вероятностные оценки тягового усилия агрегата при глубокой чизельной обработке почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН	Дисперсия тягового усилия , (кН)2	Средне-квадратическое отклонение , кН	Коэффициент вариации тягового усилия
0,56	7,17	4,2345	2,058	0,287
1,27	8,44	3,1792	1,783	0,211
1,48	8,83	3,2192	1,794	0,203

С повышением скоростного режима работы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 от 0,56 до 1,48 м/с (при установочной глубине рыхления почвы , таблица 1) наблюдалось увеличение тягового сопротивления  от 7,17 до 8,83 кН, то есть на 23 %. При этом наблюдается снижение коэффициента вариации нагрузки  на 8,4 %.

Таблица 2

Вероятностные оценки тягового усилия агрегата при глубокой чизельной обработке почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН	Дисперсия тягового усилия , (кН)2	Средне-квадратическое отклонение , кН	Коэффициент вариации тягового усилия
1,04	14,26	3,7470	1,936	0,136
1,40	14,85	4,2791	2,069	0,139
1,84	15,99	5,6280	2,372	0,148

При установочной глубине рыхления почвы  (табл. 2) с повышением скорости движения от 1,04 до 1,84 м/с тяговое сопротивление  агрегата увеличивается с 14,26 до 15,99 кН, то есть на 12,1 %. При этом наблюдается увеличение коэффициента вариации нагрузки  на 1,2 %.

Таблица 3

Средние значения тягового усилия при глубокой чизельной обработке почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН
1,15	17,82
1,40	18,41
1,80	19,40

При изменении скорости движения от 1,15 до 1,80 м/с (средняя глубина обработки почвы , (таблица 3) тяговое сопротивление агрегата возросло на 8,9 %.

Таблица 4

Средние значения тягового усилия при глубокой чизельной обработке почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН
1,10	27,93
1,30	28,32
1,70	29,30

При установочной глубине обработки почвы  (таблица 4), когда рабочие органы установлены в 2 ряда, с увеличением скорости  от 1,120 до 1,70 м/с тяговое усилие  возрастает с 27,93 до 29,30 кН, то есть на 5 %. При установочной глубине обработки почвы  (таблица 5), когда рабочие органы установлены в 2 ряда, в пределах рабочих скоростей МТА  м/с, тяговое сопротивление УКПА-2,4 увеличивается с 37,81 до 39,15 кН, то есть на 3,5 %.

Таблица 5

Средние значения тягового усилия при глубоком рыхлении почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тягового усилия , кН
1,10	37,81
1,35	38,43
1,64	39,15

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что с повышением скорости движения  МТА происходит увеличение тягового сопротивления  агрегата по слабовогнутой кривой. При этом с увеличением глубины рыхления почвы  15,5см до 40,0см, наблюдается снижение интенсивности возрастания параметра  с 25,0 % до 6,5 %. Это объясняется тем, что радиус кривизны стойки рабочего органа унифицирован с углом крошения долота, при этом происходит плавное скольжение почвенного пласта от поверхности долота к поверхности стойки. При отсутствии кривизны происходить сгруживание почвы перед поверхностью стойки, так как сумма угла трения и угла атаки рабочего органа составляет .

На рисунках 1 и 2 представлены зависимости тягового сопротивления  УКПА-2,4 от скорости движения  МТА и от глубины обработки почвы .

Данные, приведенные в таблицах 1–5, получены при угле атаки рабочих органов  и угле крошения (долота) .

Опытные данные свидетельствуют, что при фиксированных значениях скорости  движения агрегата, с увеличением глубины рыхления почвы тяговое сопротивление  УКПА-2,4 возрастает и изменяется в широких пределах (рисунок 2).

Рис. 1. Зависимости тягового сопротивления  УКПА-2,4 от скорости движения  МТА при глубоком рыхлении почвы: 1 — ; 2 — ; 3 — ; 4 — ; 5 —  (рабочие органы установлены в 2 ряда)

Рис. 2. Зависимости тягового сопротивления  УКПА-2,4 при глубоком рыхлении от глубины обработки почвы : 1 — ; 2 — ; 3 — , (рабочие органы установлены в 2 ряда)

Установлены значения тяговой мощности  агрегата при его работе на различных скоростных и нагрузочных режимах. В таблице 6 и 7 приведены средние значения тяговой мощности  трактора при глубокой чизельной обработке почвы при фиксированных значениях глубины  и .

Таблица 6

Средние значения тяговой мощности при глубокой чизельной обработке почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тяговой мощности , кВт
1,10	30,72
1,30	36,82
1,70	49,81

При изменении скоростных режимов работы МТА в диапазоне  тяговая мощность  трактора варьирует в пределах .

Таблица 7

Средние значения тяговой мощности при глубоком рыхлении почвы МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 (установочная глубина обработки , рабочие органы установлены в 2 ряда)

Скорость движения  МТА, м/с	Среднее значение тяговой мощности , кВт
1,10	41,59
1,35	51,88
1,64	64,21

При фиксированном значении глубины обработки почвы , когда рабочие органы установлены в 2 ряда, с повышением скорости  МТА от 1,10 м/с до 1,64 м/с тяговая мощность  возрастает с 41,59 кВт до 64,21 кВт, то есть на 54,4 %.

На рисунке 3 показаны графические зависимости тяговой мощности  трактора от скорости движения  МТА МТЗ-920+УКПА-2,4 при фиксированных значениях глубины обработки почвы  и .

Опытные данные (таблица 6 и 7, рисунок 3) позволили установить рациональную зону эффективного использования УКПА-2,4 в агрегате с трактором класса 1,4 по критерию максимум тягового КПД трактора, т. е. . Так, при расстановке рабочих органов в 2 ряда и при глубине обработки почвы , максимум КПД трактора находится в диапазоне рабочих скоростей .

Рис. 3. Зависимости тяговой мощности  от скорости движения  МТА (рабочие органы установлены в 2 ряда, 1 — ; 2 — ; )

На основании экспериментальных данных с применением математической аппроксимации с помощью интерполяционной формулы Лагранжа были установлены эмпирические зависимости средних значений агротехнических и энергетических параметров МТЗ-920+УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы от скорости движения и глубины обработки почвы (табл. 8–11).

Таблица 8

Эмпирические зависимости для определения среднего значения  ширины борозды по следу стойки рабочего органа для глубокого рыхления почвы от скорости движения  МТА (при расположении рабочих органов в 2 ряда, )

Параметр	Средняя глубина обработки почвы	Расчетная формула
, см

Таблица 9

Эмпирические зависимости для определения среднего значения  глубины обработки почвы от скорости движения  МТА (при расположении рабочих органов в 2 ряда, )

Параметр	Установочная глубина обработки почвы	Расчетная формула
, см

Таблица 10

Эмпирические зависимости для определения среднего значения  тягового усилия УКПА-2,4 при глубоком рыхлении почвы от скорости движения  МТА и глубины  обработки почвы (при расположении рабочих органов в 2 ряда, )

Параметр	Аргумент	Расчетная формула
	При
	При
	При
	При
	При
	При
	При
	При

Таблица 11

Эмпирические зависимости для определения среднего значения  сопротивления одного рабочего органа для глубокого рыхления от скорости движения  МТА и глубины  обработки почвы (при расположении рабочих органов в 2 ряда, )

Параметр	Аргумент	Расчетная формула
	При
	При
	При
	При
	При
	При

Анализ показывает, что установленные значения агротехнических показателей находились в пределах агротехнических требований, предъявляемых к технологическому процессу глубокой чизельной обработки и глубокому рыхлению почвы.

Полученные эмпирические зависимости, позволяют рассчитывать средние значения агротехнических и эксплуатационных параметров МТА с УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы в пределах ограничений, наложенных условиями проведенных экспериментов.

Рассмотренные закономерности изменения агротехнических и эксплуатационных параметров связаны с наиболее полным математическим описанием исследуемого процесса — глубокого рыхления почвы и в дальнейшем будут использованы при обосновании оптимальных скоростных и нагрузочных режимов работы универсального комбинированного почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 для глубокого рыхления почвы с тракторами различных тяговых классов.

Литература:

1.         Алеев Б. А. Технология и техника глубокого рыхления переуплотненных почв // «Тракторы и сельскохозяйственные машины», 2005, № 2.

2.         Вайнруб В. И. и др. Рекомендации по энергосберегающим технологиям подготовки почв с использованием чизельных орудий. — Л.-Пушкин, 1989.

3.         Вайнруб В. И., Мишин П. В., Хузин В. Х. Технология производственных процессов и операций в растениеводстве. — Чебоксары.: Издательство «Чувашия», 1999. — 456 с.

4.         Джабборов Н. И., Сайфов Н. Д., Хамдамов Г. Х. Эффективность глубокого рыхления почвы при возделывании различных сельскохозяйственных культур // Материалы Республиканской научной конференции «Проблемы повышения эффективности использования сельскохозяйственной техники». — Душанбе, 2006. — с. 4–7.

5.         Джабборов Н. И., Добринов А. В., Лобанов А. В., Федькин Д. С. Рабочий орган для глубокого рыхления почвы. Патент РФ на изобретение № 2518454. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 09 апреля 2014 г.

6.         Джабборов Н. И., Добринов А. В., Лобанов А. В., Федькин Д. С., Евсеева С. П. Комбинированный почвообрабатывающий агрегат. Патент на полезную модель РФ № 130473. Заявка № 2013104360. Приоритет модели 01 февраля 2013 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 июля 2013 г.

7.         Сайфов Н. Д. Повышение эффективности технологического процесса глубокого рыхления почвы путем оптимизации эксплуатационных параметров МТА с тракторами класса 4,0: автореф. дисс. канд. техн. наук, СПб-Пушкин, 2003. — 17 с.

8.         Чернышов В. А., Вальдгауз Э. Г. Мощность гумусового слоя и плодородие дерново-подзолистой почвы // Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ, Ленинград, 1981. — 73–86.