Повышение эффективности использования колёсного трактора класса 1,4 за счёт постановки сдвоенных колёс в сельскохозяйственном производстве Амурской области - Автореферат

Определена теоретическая зависимость сопротивления качению и касательной силы тяги колеса от физико-механических свойств почвы. Использование колесного трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами на сельскохозяйственных работах снижает техногенное воздействие на почву за счет снижения величины буксования и глубины колеи после прохода по полю. Проведенный анализ показал, что наиболее приемлемый путь повышения тягово-сцепных свойств и снижение техногенного воздействия на почву данных тракторов является постановка дополнительных колес. Элементарная касательная реакция почвы определяется суммой двух составляющих: , (7) где - элементарная касательная реакция почвы в «пятне контакта» колеса с почвой; - элементарная касательная реакция почвы между боковыми поверхностями колеса и почвы. Результирующая вертикальная реакция почвы на колесо определяется суммированием элементарных реакций по дуге обхвата колеса с почвой: (11)На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, решена задача повышения эффективности использования тракторов класса 1,4 за счет повышения тягово-сцепных свойств. На основании теоретических исследований установлено, что постановка дополнительных колес повышает тягово-сцепные качества трактора, величина буксования экспериментального трактора снизилась с 26,1 % до 10,3 %, а тяговая мощность возросла на 9,2 % по сравнению с серийным трактором. Применение трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами позволяет повысить производительность и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на прикатывании, сплошной культивации, бороновании и дисковании соответственно 5,7% и 13,4%; 11,6% и 5,5%; 8,7% и 9,4%; 20,5% и 9,9%, по сравнению с серийным трактором.

Актуальность темы. За последние годы в сельскохозяйственном производстве Амурской области произошли значительные социально-экономические преобразования. Коренным образом изменились финансовые, экономические и правовые условия хозяйствования. Изза высоких цен хозяйства области оказались не в состоянии приобретать в нужном количестве новые машины и оборудование. В этих условиях необходимо повысить эффективность использования уже имеющейся сельскохозяйственной техники. Особенно остро этот вопрос стоит в условиях Амурской области. Это обусловлено тем, что около 60 % от всего тракторного парка приходится на долю колесных тракторов. В то же время изза сложных природно-климатических условий области соотношение колесных и гусеничных тракторов должно составлять соответственно 40 и 60 процентов. Это обусловлено тем, что основные сельскохозяйственные операции проходят в то время, когда почва имеет слабую несущую способность. Имея сравнительно высокое нормальное давление на почву колесные тракторы, особенно на ранневесенних сельскохозяйственных работах, проваливаясь до мерзлоты, теряют проходимость, оставляя после себя глубокую колею. Поэтому возникает необходимость повышения тягово-сцепных свойств и снижения техногенного воздействия на почву колесных тракторов.

Как показали исследования, для тракторов класса 1,4 наиболее простым способом является установка дополнительных колес. Это позволяет повысить тягово-сцепные свойства и снизить нормальное давление колес на почву. В условиях Амурской области не в полной мере исследованы вопросы эффективного использования тракторов МТЗ-82 на сдвоенных колесах в сельскохозяйственном производстве.

Настоящая диссертационная работа посвящена повышению эффективности использования тракторов класса 1,4 в сельскохозяйственном производстве Амурской области.

Цель исследования. Повышение эффективности использования тракторов класса 1,4 за счет улучшения тягово-сцепных свойств, увеличение производительности и снижение техногенного воздействия движителей на почву.

Предмет исследования. Процесс взаимодействия с почвой ведущих колес трактора класса 1,4.

Методы исследований. Для решения поставленных задач - описания процесса взаимодействия колесного движителя с почвой были использованы методы теоретической механики. В теоретических и экспериментальных исследованиях использован математический аппарат интегрального и дифференциального исчисления, современные методы обработки экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования проведены в реальных условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники на ранневесенних полевых работах.

Научная новизна. Определена теоретическая зависимость сопротивления качению и касательной силы тяги колеса от физико-механических свойств почвы. Получена номограмма для определения производительности машинно-тракторного агрегата в зависимости от характеристик почвы и буксования трактора.

Практическая значимость работы. Установка дополнительных колес повышает тягово-сцепные свойства трактора. Использование колесного трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами на сельскохозяйственных работах снижает техногенное воздействие на почву за счет снижения величины буксования и глубины колеи после прохода по полю.

Полученные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют сократить затраты времени и материальных средств при конструировании и доработке конструкций ходовых систем.

Методика экспериментальных исследований применяется на Амурской государственной машиноиспытательной станции при испытании сельскохозяйственной техники. Полученные результаты по уточнению процесса взаимодействия колесного движителя с почвой используются в учебном процессе на кафедре «Тракторы и автомобили» ИМСХ Дальневосточного государственного аграрного университета (ДАЛЬГАУ).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрены на научных конференциях ДАЛЬГАУ (2003-2006гг.); Благовещенского филиала Московской Академии Предпринимательства при Правительстве г. Москвы, «Молодежь XXI века: шаг в будущее (2004 г.); расширенном заседании кафедры «Тракторы и автомобили» ДАЛЬГАУ (2006 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборниках научных трудов ДАЛЬГАУ, депонированы в центре информации и технико-экономических исследований агропромышленного комплекса РАСХН ВНИИЭСХ, в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства».

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований

Выявлено, что эффективность использования машинно-тракторных агрегатов в сельскохозяйственном производстве во многом зависит от приспособленности их к естественно-производственным условиям региона. Особенно это относится для переувлажненных почв Амурской области, несущая способность которых в период проведения ранневесенних сельскохозяйственных работ низкая. В то же время около 60 % всего машинно-тракторного парка Амурской области составляют колесные тракторы класса 1,4. Применение данных тракторов в этих условиях ограничено изза высокого нормального давления их на почву. Проваливаясь до мерзлоты, эти тракторы теряют проходимость даже при небольших крюковых нагрузках. Поэтому вопрос повышения тягово-сцепных свойств данных тракторов очень актуален.

Проведенный анализ показал, что наиболее приемлемый путь повышения тягово-сцепных свойств и снижение техногенного воздействия на почву данных тракторов является постановка дополнительных колес. В западных областях страны постановка дополнительных колес сдерживается увеличением веса трактора, что отрицательно сказывается на величине напряжения почвы по глубине. Однако, наличие твердого подстилающего слоя в виде мерзлоты при проведении ранневесенних сельскохозяйственных работ устраняет этот недостаток.

На основании анализа состояния вопроса в диссертационной работе поставлены следующие задачи исследований: 1. Установить влияние дополнительных колес на тягово-сцепные качества трактора.

2. Определить производительность колесного трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами на сельскохозяйственных работах.

3. Исследовать техногенное воздействие на почву колесного трактора со сдвоенными колесами.

4. Дать топливно-энергетическую оценку использования трактора МТЗ-82 со сдвоенными колесами.

2. Теоретические предпосылки исследований тракторный сцепной колесо тяговый

Движение колесного трактора осуществляется за счет взаимодействия движителя с почвой. Под воздействием крутящего момента на ведущих колесах между опорной поверхностью движителя и почвой возникают касательные реакции, которые воздействуя на движитель, толкают трактор вперед. Равнодействующая касательных реакций является касательной силой тяги. В результате взаимодействия движителя с почвой последняя подвергается деформации. Со стороны почвы возникают реакции, обуславливающие силу сопротивления движению трактора. Возможность движения определяется преобладанием касательной силы тяги над сопротивлением качению.

Рассмотрим сопротивление качению одиночного колеса трактора. Под воздействием нормальной нагрузки колесо продавливает почву до мерзлого подстилающего слоя на глубину . Принимаем допущение, что почва упругими деформациями не обладает.

Выделим на ободе колеса элементарную площадку . За время точка обода колеса перемещается по циклоиде (рис. 1): (1)

При повороте колеса на угол точка обода колеса переместилась из положения в положение (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема взаимодействия колеса с почвой

Элементарное перемещение почвы по циклоиде определяется из треугольника : (2) где - радиус колеса; свободный радиус ненагруженного колеса; угол обхвата колеса почвой;

Под воздействием внешних сил колесо продавливается в почву, образует колею глубиной . В результате взаимодействия колеса с почвой на элементарную площадку действуют нормальные и касательные реакции почвы.

Элементарная реакция почвы , возникающая при перемещении колеса определяется следующим образом: , (3)

где - нормальное давление.

Площадь элементарной площадки равна: , (4) где - ширина колеса.

Закономерность деформации переувлажненной почвы под воздействием нормальной нагрузки определяется линейной зависимостью: , (5) где - коэффициент объемного смятия почвы.

Подставляя величины и в формулу (3) с учетом величины перемещения почвы по нормали, получим: (6)

Элементарная касательная реакция почвы определяется суммой двух составляющих: , (7) где - элементарная касательная реакция почвы в «пятне контакта» колеса с почвой; - элементарная касательная реакция почвы между боковыми поверхностями колеса и почвы.

Первая составляющая элементарной реакции почвы определяется по выражению: , (8) где - угол внутреннего трения почвы; - сцепление почвы; - коэффициент деформации почвы.

Вторая составляющая реакции почвы равна: , (9) где - коэффициент бокового давления почвы; - высота почвозацепа колеса.

Определим суммарную реакцию почвы на ось координат в прямоугольной системе .

Реакция почвы на ось ординат: . (10)

Результирующая вертикальная реакция почвы на колесо определяется суммированием элементарных реакций по дуге обхвата колеса с почвой:

(11)

Реакция почвы на ось абсцисс: . (12)

Результирующая реакция определяется также интегрированием элементарных реакций по дуге обхвата колеса почвой: . (13)

Горизонтальная составляющая реакция почвы на ось ординат определяет силу сопротивления качению колеса :

(14)

Производя интегрирование, получим силу сопротивления вследствие деформации почвы в зависимости от угла обхвата колеса :

. (15)

Глубина колеи связана с углом обхвата колеса геометрическими соотношениями: . (16)

Вертикальная реакция почвы определяет опорную проходимость и техногенное воздействие движителя на почву.

Сила сопротивления качению колеса в зависимости от глубины колеи и угла обхвата почвой определяется совокупностью формул (15) и (16)

При качении колеса в почве возникают реактивные силы под действием ведущего момента . Сцепление колеса с почвой происходит за счет сдвига «почвенных кирпичей» и за счет трения срезанных «почвенных кирпичей» относительно почвы.

Касательная сила тяги колеса определяется суммой касательных реакций почвы на каждом почвозацепе: , (17) где - усилие сдвига; - усилие среза; - число почвозацепов, находящихся в контакте с почвой.

Касательная сила тяги равна суммарной реакции по длине дуги обхвата колеса. Подставляя в выражение (17) величины элементарных касательных и нормальных реакций, действующих на элементарную площадку , получим:

. (18)

Решив уравнение (18), определим касательную силу тяги: - для серийного трактора:

. (19)

- для экспериментального трактора:

. (20)

Более наглядно влияние дополнительных колес на тягово-сцепные свойства машинно-тракторного агрегата можно проследить по величине буксования (рис. 2). Анализ (рис. 2) показывает, что с повышением тягового усилия величина буксования возрастает. Постановка дополнительных колес снижает величину буксования трактора со сдвоенными колесами по сравнению с серийным трактором. Так при тяговом усилии 12,0 КН буксование серийного трактора составляет 16 %, то трактора со сдвоенными колесами 7 %. При дальнейшем повышении тягового усилия интенсивность роста величины буксования у серийного трактора выше по сравнению с экспериментальным.

В общем случае величина производительности машинно-тракторного агрегата определяется по формуле

, (21) где - ширина захвата агрегата;

- скорость движения;

- коэффициент использования времени смены.

Из формулы (21) видно, что производительность машинно-тракторного агрегата во многом зависит от величины от буксования. Влияние величины буксования на производительность можно хорошо проследить по номограмме (рис. 2), из которой видно, что постановка дополнительных колес позволяет повысить величину производительности.

Рис. 2. Номограмма для определения производительности: 1 - серийный трактор; 2 - экспериментальный трактор

Полученные теоретические зависимости требуют проверки в реальных условиях эксплуатации.

3. Программа и методика экспериментальных исследований

Полученные во второй главе аналитические зависимости требуют проверки научным экспериментом. Также экспериментально необходимо определить ряд параметров, входящих в теоретические зависимости.

Экспериментальные исследования проводились с серийным трактором МТЗ-82 и с трактором МТЗ-82 со сдвоенными колесами.

Экспериментальные исследования проводились в реальных полевых условиях. Экспериментальный участок для проведения испытаний выбирался горизонтальный с ровным микрорельефом. При проведении экспериментальных исследований замерялись следующие параметры: тяговое усилие, частота вращения ведущих колес трактора, пройденный путь, время опыта. При проведении исследований определялись физико-механические свойства почвы. Сравнительные хозяйственные испытания проводились методом хронометражного наблюдения.

Четвертая глава. Результаты экспериментальных исследований.

Тяговые качества трактора проявляются в результате взаимодействия его движителя с опорной поверхностью. Тяговые испытания серийного трактора и трактора с дополнительными колесами были проведены в реальных условиях эксплуатации. В результате проведенных экспериментальных исследований были получены данные, после обработки которых построена тяговая характеристика трактора класса 1,4 на одинарных и сдвоенных колесах (рис. 3).

Анализ тяговой характеристики колесного трактора класса 1,4 позволяет сделать вывод, что постановка на трактор сдвоенных колес улучшает тягово-сцепные качества, что наглядно видно по величине буксования (рис. 3). Так при тяговом усилии 13 КН буксование серийного трактора составило 14 %, в то время, как у трактора со сдвоенными колесами - 8 %. По мере роста тягового усилия буксование серийного трактора резко возросло и при тяговом усилии 14,1 КН оно составило 26,1 %, а у трактора со сдвоенными колесами - 10,3 %. Таким образом, постановка сдвоенных колес позволяет снизить величину буксования трактора. Если сравнить тяговые усилия трактора при одном и том же буксовании, то можно отметить, что при буксовании 10% тяговое усилие трактора со сдвоенными колесами составило 14,1 КН в то время, как у серийного трактора тяговое усилие составило 9 КН, т. е. почти на 50 % меньше.

Анализ рабочих скоростей на различных передачах позволяет сделать следующие выводы, что постановка дополнительных колес позволяет увеличить рабочую скорость трактора. Так, на третьей передаче при тяговом усилии 13 КН рабочая скорость составила 1,4 м/с в то время, как у трактора со сдвоенными колесами она составила 1,8 м/с. Аналогичные результаты получены и на других передачах. Сравнивая результаты теоретических и экспериментальных зависимостей видно, что они находятся в пределах доверительного интервала, что говорит о достоверности полученных данных.

Рис. 3. Сравнительная тяговая характеристика трактора МТЗ-82 - трактор со сдвоенными колесами (экспериментальная); - трактор со сдвоенными колесами (теоретическая); - серийный трактор (экспериментальная); - серийный трактор (теоретическая)

Анализ тяговых мощностей на различных передачах позволяет сделать вывод, что у трактора со сдвоенными колесами тяговая мощность выше. Так, на третьей передаче при тяговом усилии 13 КН тяговая мощность серийного трактора составила 18 КВТ, в то время, как у экспериментального - 23,1 КВТ, что на 28 % выше серийного. Аналогичные результаты получены и на других передачах. Таким образом, постановка дополнительных колес позволила повысить скорость движения на всех передачах на 26…28%, а тяговую мощность на 25…27% по сравнению с серийным трактором.

Распределение составляющих мощностного баланса серийного трактора и экспериментального со сдвоенными колесами приведено на рисунках 4, 5.

Рис. 4. Диаграмма распределения мощностного баланса серийного трактора (максимальная тяговая мощность)

Рис. 5. Диаграмма распределения мощностного баланса экспериментального трактора (максимальная тяговая мощность)

Из графиков видно, что постановка дополнительных колес снизила мощность, затрачиваемую на буксование, с 15,78% до 5,26% и повысило величину тяговой мощности с 31,57% до 40,37%.

Для выяснения воздействия на почву ходовых систем тракторов были проведены экспериментальные исследования с трактором МТЗ-82 на одинарных и сдвоенных колесах, работающим на поле, подготовленном под посев с влажностью 22…24%.

Как показали исследования, плотность почвы до прохода трактора по полю составляла 1,17 г/см3, то после прохода по ней тракторов она возросла. Так, после прохода серийного трактора плотность почвы составила 1,59…1,62 г/см3, а после прохода экспериментального трактора -1,32…1,36 г/см3. Коэффициент уплотнения составил у серийного трактора 1,55…1,58, а у экспериментального - 1,13…1,16. Как видно, использование сдвоенных колес позволило снизить коэффициент уплотнения почвы. После прохода по полю тракторов, наряду с плотностью, изменяется и твердость почвы. В результате воздействия ходовых систем, твердость почвы возросла как у серийного трактора, так и у экспериментального. Если до прохода тракторов твердость составляла 0,53…0,57 МПА, то после прохода серийного и экспериментального тракторов она составила соответственно 0,84…0,89 и 0,66…0,69 МПА. Как известно, твердость почвы характеризует сопротивление почвы резанию, то есть ее обработки. Увеличение твердости почвы повышает энергозатраты на проведение различных сельскохозяйственных работ.

После прохода экспериментального трактора глубина колеи меньше на 45…50 %, чем у серийного. Это объясняется тем, что величина буксования у серийного трактора выше. С увеличением нагрузки глубина колеи возрастает.

Таким образом, в реальных условиях эксплуатации использование трактора на сдвоенных колесах позволяет значительно снизить техногенное воздействие на почву по сравнению с серийным трактором МТЗ-82.

Одним из основных показателей, определяющим эффективность использования новой техники, является повышение производительности труда. С целью определения эффективности использования трактора МТЗ-82 на сдвоенных колесах в условиях Амурской области были проведены сравнительные хозяйственные испытания. В качестве сравнения брали трактор МТЗ-82, работающий на одинарных колесах (серийный). Сравнение выполнено методом сплошного хронометража.

Использование трактора МТЗ-82 со сдвоенными задними колесами при прикатывании позволило повысить производительность в час основного рабочего времени на 5,7 % и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на 13,4 % по сравнению с трактором МТЗ-82, работающим на одинарных колесах. Аналогичные результаты получены при сплошной культивации, бороновании и дисковании. Так, при сплошной культивации увеличение производительности в час основного времени у трактора со сдвоенными колесами составило 11,6 % и при этом снижение расхода топлива на единицу обработанной площади составило 5,5 %. Использование трактора МТЗ-82 со сдвоенными колесами при бороновании позволило повысить производительность в час основного рабочего времени на 8,7 % и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на 9,4 %. Применение трактора МТЗ-82 со сдвоенными колесами в составе с ЛДГ-5А дает возможность повысить производительность на 20,5 % и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на 9,9 %.

Результаты сравнительных хозяйственных испытаний показывают, что использование трактора МТЗ-82 со сдвоенными колесами позволило повысить производительность в час основного рабочего времени и снизить расход топлива на единицу обработанной площади по сравнению с серийным трактором при дисковании, сплошной культивации, бороновании и прикатывании.

Топливно-энергетический анализ использования трактора МТЗ-82.

Установлено, что применение трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами позволяет получить общую экономию полных энергозатрат при бороновании, сплошной культивации, дисковании и прикатывании составила 88,1 МДЖ/га.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, решена задача повышения эффективности использования тракторов класса 1,4 за счет повышения тягово-сцепных свойств. В результате проведенных исследований сформулированы следующие выводы: 1. На основании теоретических исследований установлено, что постановка дополнительных колес повышает тягово-сцепные качества трактора, величина буксования экспериментального трактора снизилась с 26,1 % до 10,3 %, а тяговая мощность возросла на 9,2 % по сравнению с серийным трактором.

2. Применение трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами позволяет повысить производительность и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на прикатывании, сплошной культивации, бороновании и дисковании соответственно 5,7% и 13,4%; 11,6% и 5,5%; 8,7% и 9,4%; 20,5% и 9,9%, по сравнению с серийным трактором.

3. Использование трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами позволило снизить техногенное воздействие на почву. Коэффициент уплотнения у серийного трактора составил 1,55…1,58, а у экспериментального 1,13…1,16. Твердость почвы после прохода серийного трактора составила 0,84…0,89 МПА, а у экспериментального 0,66…0,69 МПА. Глубина колеи после прохода трактора со сдвоенными колесами снизилась на 45…50% по сравнению с серийным.

4. Использование трактора класса 1,4 со сдвоенными колесами на бороновании, сплошной культивации, дисковании и прикатывании приводит к общей экономии полных энергозатрат - 88,1 МДЖ/га.

1. Злобин, В.И. Результаты тяговых испытаний с трактором класса 1, 4 [Текст] / В.И. Злобин // Молодые ученые агропромышленному комплексу Дальневосточного федерального округа: матер. регион. науч.-практ. конф. (Благовещенск, 23-24 ноября 2005г.). - Благовещенск: ДАЛЬГАУ, 2005. - С. 149. - 152.

2. Злобин, В.И. Результаты экспериментальных исследований по определению техногенного воздействия на почву трактора класса 1, 4 с различной компоновкой ходовой части [Текст] / В.И. Злобин // Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДАЛЬГАУ. - Благовещенск: ДАЛЬГАУ, 2005. - Вып. 11. - С. 261. - 264.

3. Злобин, В.И. Результаты тяговых испытаний трактора класса 1, 4 с различной компоновкой ходовой системы [Текст] / В.И. Злобин //. Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. ДАЛЬГАУ. - Благовещенск: ДАЛЬГАУ, 2005. - Вып. 11. - С. 264. - 270.

4. Злобин, В.И. Влияние ходовой части трактора МТЗ-82 со сдвоенными колесами на физико-механические свойства почвы [Текст] / В.И. Злобин; ДАЛЬГАУ - М., 2005. - 4 с. - Деп. ЦНИ и ТЭИ РАСХН ВНИИЭСХ 24.02.05, № 187/19285.

5. Злобин, В.И. Результаты испытаний трактора МТЗ-82 на сдвоенных колесах [Текст] / В.И. Злобин; ДАЛЬГАУ- М., 2005. - 3 с. - Деп. ЦНИ и ТЭИ РАСХН ВНИИЭСХ 24.02.05, № 189/19285.

6. Злобин, В.И. Эффективность использования трактора МТЗ-82 со сдвоенными колесами на ранневесенних полевых работах [Текст] / В.И. Злобин; ДАЛЬГАУ. - М., 2005. - 4 с - Деп. ЦНИ и ТЭИ РАСХН ВНИИЭСХ 24.02.05, № 191/19285.

7. Злобин В.И., Щитов С.В. Влияние движителя на эксплуатационные характеристики трактора МТЗ-82 // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2006, № 8, С. 28-29.

8. Злобин, В.И. Определение сопротивления качению одиночного колеса [Текст] / В.И. Злобин; ДАЛЬГАУ. - М., 2006. - 10 с.- Деп. В ЦНИ и ТЭИ РАСХН ВНИИЭСХ 12.09.06, № 89/19526.

9. Злобин, В.И. Определение касательной силы тяги одиночного колеса [Текст] / В.И. Злобин; ДАЛЬГАУ. - М., 2006. - 6 с. Деп. В ЦНИ и ТЭИ РАСХН ВНИИЭСХ 12.09.06, № 91/19528.

Размещено на .ru