Повышение эффективности использования машинно-тракторного агрегата при подготовке почвы под посев

Во введении обоснована актуальность работы, степень её разработанности и представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан анализ посевных площадей и сборов сельскохозяйственной продукции в регионе, приведена структура продукции сельского хозяйства по категориям хозяйств, проведён обзор наличия и качественного состояния технических средств, предназначенных для боронования почвы, определено их влияние на эффективность использования МТА в условиях зон рискованного земледелия.
Поисковыми исследованиями и производственными наблюдениями установлены модернизационные возможности колёсного трактора МТЗ-80 (82) и дисковой бороны БДТ-3, как наиболее распространённых средств механизации в сельскохозяйственном производстве области. Мощностные характеристики и энергонасыщенность выбранного трактора позволяют его использование в составе экспериментального бороновального агрегата с устройством для перераспределения сцепного веса.

Основным вопросам повышения эффективности использования МЭС за счёт повышения тягово-сцепных свойств МЭС и улучшения эксплуатационных показателей рассматривались в работах А.С.Агейкина, В.А.Гобермана, А.В.Климанова, И.П.Ксеневича, Е.Е.Кузнецова, Н.И.Селиванова, В.А.Скотникова.
Для повышения проходимости, снижения величины буксования и тягового сопротивления навесных машин и прицепов, уменьшения расхода топлива при увеличении производительности в работах Д.С.Гапича, Ю.Г.Горшкова, Ю.А.Гуськова, Ю.К.Киртбая, М.М.Махмутова предлагается регулировать величину вертикальных нагрузок на ведущие колеса трактора
Исследуемой задаче повышения эффективности использования МЭС на транспортных работах посвящены исследования Н.В.Алдошина, А.Н. Баранского, Ю.А. Гуськова, Ф.С.Завалишина, С.А. Иофинова, А.Ю.Измайлова, А.И.Новожилова, Н.Ф.Скурятина, С.Д. Сметнева, И.И. Трепененкова, В.С. Филонова, С.В.Щитова и других учёных.
Единым заключением ученых считается потребность учёта конструктивных параметров агрегатов, сопутствующих условий и факторов, оказывающих большое влияние на тяговые характеристики, управляемость, безопасность, при выполнении как сельскохозяйственных, так и транспортных работ. При этом необходимо также учитывать, что основным эксплуатационным параметром любого мобильного энергетического средства являются его тягово-сцепные свойства, изменение которых в целях эффективности возможно только в сторону увеличения.
На основании проведенного анализа установлено, что для повышения эффективности предпосевной подготовки почвы, улучшения показателей структурности почвы, равномерности обработки по глубине и с целью достижения регулярной высокой урожайности сельскохозяйственных культур в регионах, относящихся к зонам рискованного земледелия, необходимо применение сельскохозяйственных машин, в частности тяжёлых дисковых борон в составе бороновального агрегата. Таким образом, в
Во второй главе приведены технологические требования, обоснованы конструктивные особенности, предложена схема перспективного устройства для перераспределения сцепного веса в составе бороновального МТА-регулятора сцепного веса бороновального агрегата (РСВБА), способного перераспределять часть сцепного веса между энергетическим средством (трактором) и бороной через вертикальное перемещение задней навески трактора и силовое натяжение гибкой тросовой связи, установленной на звеньях МТА, на предлагаемое техническое решение получен патент РФ No 196181 (рисунок 1) и предложены теоретические исследования его режимных характеристик.
этих условиях наиболее
перспективным направлением является оптимизация тягово-сцепных
характеристик и использование возможностей перераспределения сцепного веса в
звеньях самого машинно-тракторного агрегата.
Рисунок 1- Принципиальная схема МТА с регулятором сцепного веса
гибкая тросовая силовая связь; 2- опорный кронштейн; 3- корпус; 4- трактор; 5- буксирное устройство; 6- нижняя поперечная
тяга; 7- навеска; 8-установочный кронштейн; 9- брус; 10- рама, 11- борона
С целью обоснования конструктивно-технологических параметров МТА с установленным регулятором сцепного веса бороновального агрегата (РСВБА) проведён анализ силовых реакций машинно-тракторного агрегата с установленным РСВБА, при этом МТА был рассмотрен, как составная конструкция «трактор +
прицепное устройство + рама бороны» (рисунок 2).
бороновального агрегата (РСВБА): 1-
Рисунок 2-
Силы, действующие на МТА с РСВБА в нейтральном положении
где G,Gn,Gб – вес трактора, прицепного устройства, рамы бороны соответственно, Н; Y1,Y2,Y3,Y4 – силовые вертикальные реакции поверхности в
соответствующих точках их приложения, Н; Nc=Nc – силовая реакция в сцепном
̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅/ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅/
устройстве в точке С, Н; Xk=-Xk и Yk=-Yk – силовые реакции шарнира сницы
бороны в точке К,Н; B – продольная колесная база трактора, м; a – расстояние от центра тяжести трактора до задней опоры-движителя трактора, м; c – расстояние от задней опоры-движителя трактора до т. С-максимальной высоты подъёма навески, м; b – длина сницы бороны, м; d – расстояние от центра тяжести прицепного устройства до шарнира K, м; p – расстояние от точек приложения вертикальных реакций поверхности на раму бороны, м; n – расстояние от шарнира K до точки 3 приложения вертикальной реакции поверхности на секцию и раму бороны, м; ƒ– Расстояние от центра тяжести бороны до точки приложения вертикальной реакции поверхности на секцию и раму бороны в точке 4, м.; h – Расстояние от поверхности почвы до навески, м.
Рассмотрим равновесие каждой части МТА в отдельности для определения вертикальных составляющих реакций поверхности.
Определим три составных положения:
Без воздействия РСВБА:
– нейтральное положение. При работе РСВБА:
– при поднятии навески; – при опускании навески.
С помощью уравнений равновесия для частей составной конструкции получаем выражения для вертикальных силовых реакций в опорах МТА
(1) (2)
(3) (4)
При поднятии навески происходит натяжение гибкой тросовой силовой связи в буксирном устройстве согласно схемы на рисунке 3.
̅̅̅ ̅̅̅/

Рисунок 3 – Схема к определению усилий, возникающих в тросовой связи при поднятии навески
̅̅/̅
где hв – высота поднятия навески трактора, м; TT=-TT – усилия, возникающие
̅̅̅/
в тросе, прикрепленном к корпусу трактора, Н; Tб=-Tб – усилия, возникающие в
тросе, закрепленном на фронтальной части рамы бороны, Н; F – усилие поднятия навески, Н; Т – длина троса от точки крепления на корпусе трактора до буксирного устройства, м; lб – длина троса от буксирного устройства до точки крепления на раме бороны, м.
Составив уравнения равновесия и проведя преобразования, получим выражения для определения веса, приходящегося на опоры энергетического средства и секций агрегатируемой бороны:
– для передних управляемых колёс энергетического средства
̅̅̅
̅̅̅
– для задних ведущих колёс энергетического средства
(5)

для передней секции бороны
для задней секции бороны
Сравнение полученных выражений (5) и (6) при поднятии навески с ранее полученными выражениями (1) и (2) показывает, что реакция поверхности
уменьшается (разгружается), а реакция поверхности увеличится (загружается). 2
Исходя из вышесказанного можно сделать следующие выводы, что при поднятии навески за счёт использования РСВБА происходит перераспределение сцепного веса МТА: – уменьшение веса, приходящегося на передние управляемые колёса энергетического средства; -увеличение сцепного веса, приходящегося на задние ведущие колёса энергетического средства согласно графика на рисунке 6.
Кроме этого, происходит и перераспределение веса и в самой дисковой бороне между секциями: сравнивая выражения (7) и (8) с ранее полученными выражениями (3) и (4), делаем вывод-Y3-загружается, а Y4 – разгружается (рисунок 7).
Определим влияние РВСБА на звенья МТА при опускании навески трактора, используя схему на рисунке 4.
(6)
(7)
(8)
– для задних ведущих колёс трактора
Рисунок 4- Схема к определению вертикальных силовых составляющих реакций поверхности почвы, действующих на МТА с РСВБА при опускании навески
После составления и решения уравнений равновесия получаем силовые реакции для опор трактора и секций бороны:
– для передних управляемых колёс энергетического средства
(9)
-для передней секции бороны
(10)

-для задней секции бороны
=0,36В ∙ ∙(1− з.в рт Ркр3
)∙ (13) – для экспериментального МТА с РВСБА обозначим выражение (6) как Q, тогда для
экспериментального агрегата получим
(11)
Сравнивая выражения (9) и (10) с ранее полученными (1) и (2), можно отметить, что Y1- загружается, а Y2- разгружается, то есть происходит увеличение поперечной устойчивости трактора. Анализируя выражения (11) и (12) с ранее полученными выражениями (3) и (4), можно сделать следующий вывод, что в процессе работы устройства опора Y3 (передняя секция бороны) –загружается, а Y4 (задняя секция бороны)–разгружается (рисунок 5).
В целях расчёта эффективности, на основании полученных выше формул была определена величина производительности:
– для серийного МТА
0,248 Ркр
(12)
1−3,077( з.в) 0,248 Ркр
э =0,36В ∙ ∙(1− з.в+ )∙ . (14) р т Ркр 3
Сравнивая между собой производительность серийного МТА, формула (13), и производительность экспериментального МТА с РВСБА, формула (14), можно отметить, что установка перераспределяющего устройства позволяет повысить производительность МТА за счёт снижения буксования и увеличения скоростных характеристик бороновального агрегата.
1−3,077( з.в+ )
В третьей главе приводится методика проведения экспериментальных исследований. В задачи экспериментального исследования входило: натурно проверить влияние регулятора сцепного веса бороновального агрегата на изменение вертикальной нагрузки, приходящейся на рабочий орган бороны (диск), величину тягового сопротивления и скоростные характеристики МТА, провести обработку результатов экспериментальных исследований с использованием методики полного факторного эксперимента, определить влияние регулятора сцепного веса бороновального агрегата на качество боронования и глубину обработки, провести сравнительные хозяйственные испытания экспериментального МТА и топливно-энергетическую оценку его использования с устройством для перераспределения сцепного веса.
При этом замерялись следующие параметры: углы отклонения навески трактора, вертикальная нагрузка на опоры трактора и секции бороны, число оборотов ведущих колес трактора, тяговое усилие, время опыта, расход топлива и пройденный путь. Измерение вышеназванных параметров проводилось с использованием тензометрической аппаратуры и специализированных приборов, смонтированных на тракторе. В исследованиях использован математический аппарат линейного программирования, дифференциального и интегрального исчисления, симуляционного и имитационного моделирования эксперимента в программах AnyLogic и Blender, методы регрессионного анализа. Экспериментальные исследования проведены в условиях производственной эксплуатации. Полученные результаты обработаны в соответствии с современными методами теории вероятностей, математической статистики и планирования экспериментальных исследований с применением специализированных программ «Sigma Plot 11.0», «Mathcad» и «Компас 3D V18».
В четвертой главе работы приводятся результаты экспериментальных исследований.
Во второй главе в результате проведенных теоретических исследований было установлено, что режимы работы предлагаемого устройства позволяют регулировать перераспределение веса в схеме МТА. Для подтверждения полученных результатов были проведены экспериментальные исследования, приведенные в виде графиков на рисунке 5.
Рисунок 5-Результаты экспериментальных исследований по перераспределению массы при работе устройства внутри МТА
Анализируя полученные данные (рисунок 5), можно сделать следующие выводы, что при работе устройства с целью догрузки секций бороны произошло следующее перераспределения массы внутри схемы МТА: нагрузка на заднюю ось трактора снизилась с 2315 кг до 1440кг; на переднюю ось трактора снизилась 1575 кг до 1440 кг; на передние секции бороны повысилась с 1120 кг до 2175 кг; на задние секции бороны понизилась с 660 кг до 535 кг. Вышеизложенные данные и результаты графических отображений позволяют сделать следующий вывод о том, что в использование предлагаемого устройства позволяет перераспределять массу в системе МТА и тем самым корректировать его технологических свойства и энергетические показатели при почвенной обработке.
В целях проверки параметров догружения трактора также проводились исследования предлагаемой конструкции в режиме перераспределения веса с бороны на ходовую систему трактора (рисунок 6).
Рисунок 6 -Результаты экспериментальных исследований по перераспределению массы при работе устройства в режиме догружения трактора
Таким образом экспериментально зафиксировано увеличение вертикальной нагрузки на: переднюю ось трактора- на 105 кг; заднюю ось трактора- 220 кг.
Исходя из полученных выше результатов можно сделать выводы, что перераспределённая вертикальная нагрузка позволяет повысить тягово-сцепные свойства трактора, снизить величину буксования, увеличить скоростные характеристики МТА и расширить его технологические характеристики.
Как показали проведенные исследования, результаты теоретических и экспериментальных данных находятся в пределах доверительного интервала 3,5-5 %, что говорит о достоверности проведенного теоретического обоснования.
Определение оптимальных значений факторов (конструктивно – технологических параметров), проводились в условиях, когда исследуемые функции имели максимально-ориентированное значение. Значение скорости движения (V) зафиксировано на нулевом уровне, равном 7 км/час; а значение глубины обработки (h) зафиксировано также на нулевом уровне и равно 16 см. Полученные результаты представлены на рисунках 7-9.
Рисунок 7– Поверхности и сечение поверхности отклика глубины обработки и скорости движения МТА в зависимости от ширины захвата дисковой бороны и угла опускания (при зафиксированных на нулевом уровне V=7 км/час и h=16 см.)
Рисунок 8 – Поверхности и сечение поверхности отклика скорости движения и ширины захвата в зависимости от глубины обработки и угла опускания навески (при зафиксированных на нулевом уровне b=2,5 град. и V=7 км/ч.)

Рисунок 9 – Поверхности и сечение поверхности отклика графика скорости движения МТА и опускания навески трактора в зависимости от ширины захвата дисковой бороны и глубины обработки почвы (при зафиксированных на нулевом уровне a=17,5 град. и V=7 км/ч.)
В результате решения компромиссной задачи обоснованы следующие приемлемые значения при всех прочих равных условиях. При максимальной глубине обработки почвы угол опускания навески – 27-12 градусов, ширина захвата дисковой бороны – 2,4-2,8 метра, скорость движения агрегата – 9-10 км/час.
При максимальном угле опускания навески глубина обработки равна 18-20 см, скорость движения агрегата – 4-7 км/час, ширина захвата дисковой бороны – 2,9-3,0 метра. При оптимальном значении (6-8 км/час) скорости движения агрегата глубина обработки почвы равна 13,5-17 см, ширина захвата дисковой бороны – 2,4- 3,0 метра, угол опускания подъема – 27-16 градусов. При максимальной ширине захвата угол опускания равен 27-17 градусов, глубина обработки почвы – 13-17 см, скорость движения агрегата – 11-12 км/час.
Проведённые сравнительные хозяйственные испытания показали, что использование трактора МТЗ-80 и бороны БДТ-3 с установленным устройством на бороновании позволило повысить производительность в час основного рабочего времени на 14,2% и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на
8,6 % по сравнению с трактором МТЗ-80 и БДТ-3, работающим в серийном варианте.
Анализ результатов тяговых испытаний показал, что произошло перераспределение составляющих мощностного баланса как у серийного, так и у экспериментального трактора. Так зафиксировано снижение мощности, затрачиваемой на буксование, у экспериментального трактора по сравнению с серийным с 15,18% до 10,25%. На основании полученных данных можно сделать вывод, что использование предлагаемого устройства позволяет повысить тягово- сцепные свойства по сравнению с серийным трактором за счёт перераспределения сцепного веса в схеме МТА.
В пятой главе проведена топливно-энергетическая оценка, которая показала, что использование трактора класса 1,4 с устройством для перераспределения веса МТА на бороновании позволяет снизить энергозатраты на 32,93 МДж/га по сравнению с серийным вариантом и получить годовой экономический эффект на бороновании в перерасчёте на рублёвый эквивалент в размере 38,6 руб/га.
ВЫВОДЫ
В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных для решения научной задачи по повышению эффективности использования колёсных машинно-тракторных агрегатов на бороновании за счёт совершенствования конструктивно-технологических параметров дисковых борон сформированы следующие обоснованные выводы:
1. Проведённый анализ существующих приёмов и методов почвенной обработки, конструктивных особенностей технических средств, предназначенных для боронования почвы позволил определить их влияние на эффективность использования МТА в условиях зон рискованного земледелия.
2.Разработаны технологические требования, обоснованы конструктивные особенности и предложена схема устройства для перераспределения сцепного веса в составе бороновального МТА. Сформулированы требования к перспективной конструкции бороновального агрегата, использующего модульные принципы построения и механизмы перераспределения веса, как наиболее оптимальные для использования в условиях агропромышленного комплекса области.
3.Теоретически обосновано и экспериментально проверено влияние перераспределения сцепного веса на эффективность использования и технологические показатели МТА при бороновании. Так перераспределение нагрузки в режиме догружения на борону позволило повысить вертикальную нагрузку на рабочие органы бороны (диски) в рамках догружения передних секций на 1055 кг, при разгружении задних секций бороны-на 125 кг, за счёт разгружения ходовой системы трактора в величинах: передняя ось трактора- 145 кг, задняя ось
трактора- на 695 кг. Проведение боронования на суглинистых почвах средней степени влажности показало увеличение глубины боронования в сравнении с обработкой серийным агрегатом в 1,6 раза (с 0,1 м до 0,16 м).
4.Перераспределение нагрузки в режиме догружения с бороны на опоры трактора в величинах: на переднюю ось трактора- 105 кг, на заднюю ось трактора- 220 кг, при разгружении передней секции бороны на 150 кг, задней секции бороны- на 100 кг. позволило повысить тяговое усилие МТА. При этом, при максимальной тяговой мощности произошло снижение мощности, затрачиваемой на буксование, у экспериментального трактора по сравнению с серийным с 15,18% до 10,25%.
5.Проведённые сравнительные хозяйственные испытания экспериментального и серийного МТА в производственно-климатических условиях Амурской области при обработке почвы показали, что использование трактора МТЗ-80 и БДТ-3 с установленным устройством на бороновании позволило повысить производительность в час основного рабочего времени на 14 % и снизить расход топлива на единицу обработанной площади на 8,6% по сравнению с трактором МТЗ-80 и БДТ-3, работающим в серийном варианте.
6.Экономическая и топливно-энергетическая оценка проведённых исследований показала, что общая экономия полных энергозатрат при бороновании составила 32,93 МДж/га обрабатываемой площади. Таким образом для КФХ с посевными площадями до 400 га общая экономия в рублевом эквиваленте при внедрении предложенных конструкций в принятую технологию растениеводства составит сумму в 16966 руб на используемую техническую единицу при однократной обработке ( в ценах ДТ на февраль 2021 году из расчёта средних потребительских цен для Дальневосточного федерального округа- 54,66 руб.).