Совершенствование конструктивных параметров широкозахватных дождевальных машин кругового действия

Во «Введении» обоснована актуальность исследований и представлены:
цель, задачи, объект, предмет и методы исследований; научная новизна и научные положения, выносимые на защиту; практическая ценность; апробация работы и публикации.
В первой главе «Состояние вопроса» представлены данные о состоянии орошаемых земель и наличия дождевальной техники в Российской Федерации. Дан обзор конструктивных особенностей существующих дождевальных машин, проектирования их элементов и узлов. Приведены особенности взаимодействия ходовых систем ДМ с увлажненными почвами. Рассмотрены существующие модели взаимодействия колеса с опорной поверхностью, проходимость ДМ и пути ее повышения.
Проектируя ДМ кругового действия как российские, так и зарубежные производители ориентируются на предполагаемые условия эксплуатации, т.е. типы почв и водопотребление, режим орошения сельскохозяйственных культур. Эти характеристики и являются определяющими норму полива, а соответственно задающими конструктивные параметры машины, в частности диаметр водопроводящего трубопровода, нагрузку, приходящуюся на ходовые системы.
Варьированием диаметра водопроводящего трубопровода, длины пролета и типом ходовых систем обеспечивается удельное давление на почву в пределах нормативных значений и проходимость машин по почвам с разной несущей способностью.
Особенностью работы дождевальных машин является движение по увлажненным почвам с изменяющимися свойствами в течение процесса полива.
С повышением влажности почвы ухудшаются ее прочностные свойства, что приводит к буксованию ходовых систем и увеличению потребляемой энергии для их перекатывания. При больших нормах полива эти явления более ярко прослеживаются, это приводит к полной остановке машины и не соблюдению технологии полива.
Существующие модели взаимодействия колеса с опорной поверхностью отличаются разнообразием у разных авторов. В большинстве случаев эти формулы описывают связь между деформациями и напряжениями.
Обеспечение проходимости за счет оптимизации конструктивных параметров машины в большей степени определяется двумя факторами:
– увеличением тягово-сцепных свойств за счет совершенствования привода и ходовых систем;
– уменьшением колеи за счет снижения общей массы конструкции, увеличения пятна контакта ходовой системы с почвой, применения уширенных колес, увеличения их количества, применения шин с пониженным давлением,
применения гусеничных и шагающих ходовых систем и др.
Наиболее распространенными являются пневматические ходовые системы, обладающие достаточной универсальностью, простотой обслуживания и дешевизной.
И наиболее рациональным является подбор соотношений конструктивных параметров водопроводящего трубопровода, ширины и диаметра колес и их количества на ходовой тележке.
Во второй главе «Теоретические исследования взаимодействия ходовых систем широкозахватных дождевальных машин с увлажненной почвой» представлена модель взаимодействия ходовых систем ДМ с почвой. Даны методики расчета для дождевальных машин с пневматическими колесами на примере «Кубань-ЛК1», «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД) и «КАСКАД» и с жесткими колесами (ДМ «Фрегат»). Рассмотрено влияние несущей способности почвы, достоковой нормы, нормы полива и расстояния от неподвижной опоры на процесс колеобразования, а также нагрузки, приходящейся на ходовые системы, определяемой конструктивными параметрами водопроводящего трубопровода на изменение сопротивления передвижению и тягово-сцепные свойства машины.
Процесс взаимодействия колеса с увлажненной и переувлажненной почвой достаточно сложен, и зависит от многих параметров и факторов, рисунок 1. В общем случае, входящие параметры можно разделить на две основные группы:
1. Регулируемые параметры и характеристики, зависящие от конструктивного исполнения машины, ее узлов.
2. Нерегулируемые параметры, характеризующие природно- климатические условия использования и эксплуатации ДМ.
Выходные параметры, характеризующие эффективность использования ДМ включают в себя: удельное давление на почву, глубину и ширину колеи, сопротивление перемещению колес и плотность почвы после прохода машины.
Они, в конечном итоге, определяют такие характеристики как затраты мощности при перемещении машины, а соответственно стоимость эксплуатации техники, а также воздействие на почву с позиции экологии, т.е. повреждение, уплотнение ее, снижающее урожайность.
Достоковая норма полива определяется следующей формулой, м3/га: mдост = 2850 ∙ (1,14 − d0,2) ∙ j1/jср ∙ К (1)
где К – коэффициент водопроницаемости почв (К = 0,6-1,5); d – средний диаметр капель, мм;
jср – средняя интенсивность дождя, мм/мин;
j1 – заданная интенсивность дождя, мм/мин.
Несущая способность почвы после полива, кПа:
Р = Р − (1,4m0,65 + 8 ∙ 1,01mст) (2)
пп дп дост где mст – величина стока, м3/га;
Рдп – несущая способность почвы до полива, кПа. Глубина колеи определяется следующей формулой, м:
Н=0,6М/(nt ∙103 ∙Рпп ∙bоб ∙√Dк) (3) где М – общая масса машины, кг;
nt – количество тележек;
bоб – ширина обода, м;
Dк – наружный диаметр колес, м.
Рисунок 1 – Модель взаимодействия колеса с почвой Ширина колеи определяется следующей формулой, м:
Вк =√(Riм +bоб/2)2 +Н∙(Dк −Н)−(Riм −bоб/2) где Riм – расстояние от неподвижной опоры, м.
Глубина колеи для трехколесной тележки ДМ, м:
(4)
Н=0,4М/(nt ∙103 ∙Рпп ∙bоб ∙√Dк) (5) При этом ширина колеи тележки ДМ определяется по формуле (4).
В соответствии с формулой (5) был построен график зависимости
влияния несущей способности почвы на глубину колеи для первой тележки ДМ «КАСКАД» с различными пролетами диаметром 159 мм, рисунок 2.

следу переднего, Рсц определяется следующей зависимостью:
Р =√Dк(τ √Н +τ √Н )((D2 −D2)((D −D )+3b ))
сц 3D2 ср1 1 ср2 2 к1 к к1 к n к
где Dк1 – диаметр окружности по вершинам почвозацепов;
Рисунок 2 – Влияние несущей способности почвы на глубину колеи для ДМ «КАСКАД» (шины 16-20): 1 – пролет 65 м; 2 – пролет 59,5 м; 3 – пролет 48,7 м; 4 – пролет 30 м
Возможность движения тележки ДМ определяется условием:
(μ−f)nк ≥i (6)
где μ – коэффициент сцепления;
f – коэффициент сопротивления качению;
nк – число колес на тележке ДМ;
i – величина уклона на подъем.
Для ходовой системы тележек ДМ, когда заднее колесо движется по
(7)
Н1, Н2 – глубина колеи после прохода переднего и заднего колеса соответственно;
τср1, τср2 – удельные сопротивления почвы срезу до и после прохода переднего колеса соответственно;
bn – ширина почвозацепа.
Сила сцепления трехколесной ходовой системы определяется следующей формулой:
Р =√Dк(τ √Н +τ √Н +τ √Н )((D2 −D2)((D −D )
сц 3D2 ср1 1 ср2 2 ср3 3 к1 к к1 к (8)
к
+ 3bn))
где Н3 – глубина колеи после прохода третьего колеса;
τср3 – удельное сопротивления почвы срезу после прохода второго колеса.
Сопротивление качению Рf для двухколесной тележки:
G3√Р +√Р
Рf=0,88√ к дпп1 дпп2 (9)
BD3
к √Рдпп1 Рдпп2
где Рдпп1, Рдпп2 – несущая способность почвы до и после прохода
переднего колеса;
В – ширина профиля колеса;
Gк – нагрузка на колесо.
Зависимости силы сцепления и силы сопротивления качению от нормы
полива для различных пролетов представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимость силы сцепления и силы сопротивления качению от нормы полива для чернозема обыкновенного: 1 – пролет 48,7 м; 2 – пролет 59,5 м; 3 – пролет 65,25 м
Из полученного графика (рисунок 3) видно, что сила сцепления уменьшается с увеличением нормы полива, особенно значительно при увеличенных до 65,25 м пролетов.
Сопротивление качению при увеличении нормы полива значительно возрастает, тем в большей степени, чем длиннее пролет машины.
В третьей главе «Программа и методики проведения лабораторных и полевых исследований» приводится методика: лабораторных исследований влияния нагрузки, приходящейся на ось колеса и давления воздуха в шинах на изменение сопротивления передвижению колес, глубину колеи широкозахватных ДМ и полевых исследований повышения проходимости и уменьшения колееобразования широкозахватных ДМ.
Лабораторные исследования проводились в грунтовом канале Саратовского ГАУ.
На разработанной конструкции, имитирующей ходовую тележку ДМ устанавливались различные колеса как пневматические, так и жесткие разного диаметра, при этом они располагались по различным схемам с заданными параметрами.
Был спланирован и проведен многофакторный эксперимент. В качестве входных параметров были выбраны: нагрузка, приходящейся на ось колеса и внутреннее давление воздуха в шине. В качестве целевой функции были приняты: глубина колеи и сопротивление передвижению колеса.

В результате обработки результатов эксперимента были найдены
зависимости глубины колеи и сопротивления передвижению колеса от исследуемых параметров процесса взаимодействия колеса с почвой:
Н=0,733 +0,575G +0,040P +10,505G P (10) кwкw
F =0,050+ 0,0123G +0,061P +0,008G P (11) сопр кwкw
где Gк – нагрузка, приходящаяся на ось колеса; P – внутреннее давление воздуха в шине.
Выражения (10), (11) позволяют определять изменение глубины колеи и сопротивления передвижению колес в процессе взаимодействия колеса с почвой в зависимости от нагрузки, приходящейся на ось колеса и давления воздуха в шине.
Полевые исследования проводились на полях УНПО «Поволжье»; УНПК Агроцентр Саратовского ГАУ; ООО «Наше дело» Марксовского района Саратовской области.
Несущая способность почвы определялась на участках с помощью ручного почвомер-пенетрометра с конусно-крыльчатым наконечником.
Параметры колеи по длине пролета определялись в начале, середине и конце поливного периода.
В четвертой главе «Результаты проведения экспериментов» представлены результаты лабораторных и полевых исследований.
Лабораторные исследования показывают, что при поддержании постоянного давления воздуха в шинах повышение нагрузки на ось пневматического колеса с 0,1 кН до 1,0 кН приводит к увеличению глубины колеи до 2 см для двухколесной ходовой тележки и порядка 1-1,5 см для трехколесной тележки соответственно, а также линейному росту сопротивления передвижению колеса, рисунок 4.
аб
Рисунок 4 – Зависимость глубины колеи (а) и сопротивления передвижению колес (б) от нагрузки, приходящейся на ось колеса и давления воздуха в шине
Процесс колееобразования исследовался при проведении полевых исследований в течение всего поливного сезона.
Зависимость влияния расстояния от неподвижной опоры на глубину колеи при несущей способности почвы 110-125 кПа для ДМ «Кубань-ЛК1М» представлена на рисунке 5.
w

от
от
Рисунок 5 – Влияние расстояния от неподвижной опоры на глубину колеи для ДМ «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД) в начале (1, 2) и конце (3) поливного сезона, (пролет 59,5 м, шины 16-20): 1 – теоретически; 2 – экспериментально Н = −0,356n + 4,4048; R2 = 0,937; 3 – экспериментально Н = 0,2056n2 −
1,9659nот + 10,467; R2 = 0,949
В начале поливного периода зависимость глубины колеи от расстояния от неподвижной опоры имеет линейный вид, а в конце поливного сезона она видоизменяется в квадратичный. В связи с повышением расхода воды и размера капель глубина колеи на последних тележках увеличивается.
При работе ДМ если длина пролета увеличивается с 48,7 до 59,5 м и несмотря на то, что вместо шин 14,9-24 применяются шины 16-20, глубина колеи увеличивается. Экспериментальные исследования показали, что для первой опорной тележки глубина колеи увеличивается до 1 см в начале сезона и 1,5 см в конце поливного периода.
На рисунке 6 показано изменение глубины колеи ДМ «Фрегат» ДМУ-Б- 463-90 с жесткими колесами от расстояния от неподвижной опоры в начале и конце поливного периода. При этом несущая способность почвы в диапазоне 75-95 кПа.
Рисунок 6 – Влияние расстояния от неподвижной опоры на глубину колеи для ДМ «Фрегат» ДМУ-Б-463-90 с жесткими колесами в начале (1, 2) и конце (3) поливного периода: 1 – теоретически; 2 – экспериментально Н = −0,4428nот +
9,4367; R2 = 0,978; 3 – экспериментально Н = 0,1n2 − 2,228n + 18,461;
R2 = 0,987
от от
На рисунке 7 представлено изменение глубины колеи в начале, середине
и конце последнего пролета от несущей способности почвы и достоковой нормы полива.
Рисунок 7 – ДМ «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД) (пролет 59,5 м, шины 18-24): Н = 0,0267mдост − 7,5; R2 = 0,979; Рпп = 0,3778mдост − 111,03; R2 = 0,979
Исследования показывают, что при увеличении нормы полива с 300 до 500 м3/га коэффициент сцепления снижается от 0,32 до 0,25, рисунок 8, при этом коэффициент сопротивления качению имеет обратную зависимость от 0,15 до 0,20, рисунок 9.
Рисунок 8 – Сцепление колеса с почвой для шин 14,9-24: μ = −0,0004Nп + 0,4209; R2 = 0,944
Рисунок 9 – Коэффициент сопротивления качению для шин 14,9-24: f = 0,0003Nп + 0,0694; R2 = 0,979
Таблица 1 – Тягово-сцепные показатели ДМ
Марка ДМ
КАСКАД
Тип колес
Пневмошины 14,9-24
Норма полива
м3/га
Коэффициент
сцепления сопротивления μ качению f
300 0,32 400 0,27 500 0,25
0,15 0,17 0,20 0,14 0,15 0,18 0,12 0,14 0,15
Пневмошины 300 0,35 16-20 400 0,30
Пневмошины 18-24
500 0,28 300 0,39 400 0,35 500 0,30
Анализ условия движения ДМ при полученных коэффициентах сцепления и сопротивления качению показывает, что проходимость широкозахватных дождевальных машин уменьшается при увеличении нормы полива и длины пролета. Соответственно норма полива в значительной степени определяет возможность движения широкозахватной дождевальной техники, в частности по поверхности с уклоном.
При увеличении пролета для обеспечения возможности движения, особенно при значительных нормах полива необходимо устанавливать колеса с более широким профилем.
В пятой главе «Экономическая эффективность результатов внедрения» представлена система выбора основных параметров машины или ее модели на основе изучения системы «норма полива-почва-дождевальная машина», рисунок 10. Рассмотрена оценка эксплуатационных затрат ходовых систем в зависимости от типа и количества колес, рисунок 11-12. Показано как определить эксплуатационные затраты колес в зависимости от рационального соотношения рекомендуемых длин пролетов, шин и норм полива для двухколесной и трехколесной систем, рисунок 13-14.
Рисунок 10 – Система «норма полива-почва-дождевальная машина»
Упрощенная схема оценки эксплуатационных затрат ходовых систем
представлена на рисунке 11, соответственно в виде полученных гистограмм, рисунок 12.
Рисунок 11 – Упрощенная схема оценки эксплуатационных затрат ходовых систем
а
б
Рисунок 12 – Гистограмма определения эксплуатационных затрат ходовых систем в зависимости от типа и количества колес: а – двухколесная система, б – трехколесная система

Рисунок 13 – Определение эксплуатационных затрат колес в зависимости от рационального соотношения рекомендуемых длин пролетов, шин и норм полива для двухколесной системы
Рисунок 14 – Определение эксплуатационных затрат колес в зависимости от рационального соотношения рекомендуемых длин пролетов, шин и норм полива для трехколесной системы
Предлагаемая упрощенная система выбора основных параметров машины или ее модели по системе «норма полива-почва-дождевальная машина» позволяет выбрать основные параметры машины на основе нормы полива и несущей способности почвы. Уточнение и выбор возникших вариантов осуществляется по критерию проходимости. Рациональность применения трехколесных систем определяется не возможностью обеспечения параметров проходимости двухколесных тележек.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основании исследований взаимосвязи системы «норма полива- почва-дождевальная машина» были выявлены условия движения, основные

факторы повышения проходимости широкозахватных дождевальных машин за счет оптимизации соотношений конструктивных параметров водопроводящего трубопровода, длин пролетов и типов ходовых систем в зависимости от норм
полива, несущей способности почвы и достоковой нормы.
2. Выявлены закономерности процесса колееобразования на протяжении
всего поливного сезона и изменения тягово-сцепных свойств широкозахватных дождевальных машин при поливе разными нормами.
При орошении с нормой полива от 300 до 350 м3/га и несущей способности не менее 100 кПа длина пролета может увеличиваться до 65 м, при этом глубина колеи не превышает допускаемых значений. Для работы ДМ на почве, обладающей низкой несущей способностью, если на них устанавливается пролет длиной более 59 м тогда на ходовых системах необходимо применить колеса с шинами не менее 16-20, а при уменьшении несущей способности почвы – шины 18-24.
Получены зависимости силы сцепления и силы сопротивления качению от нормы полива для различных пролетов.
3. На основе проведенных экспериментов можно дать следующие рекомендации по подбору ходовых систем в зависимости от нормы полива:
– норма полива до 300 м3/га, несущая способность РПП ≥ 80-100 кПа: рекомендуется применить пневмоколеса с узкими шинами. При этом глубина колеи не более 8-10 см;
– норма полива от 300 до 500 м3/га, несущая способность РПП ≥ 60-80 кПа: рекомендуется применить пневмоколеса с обычными шинами. При этом глубина колеи в диапазоне 5-10 см;
– норма полива более 500 м3/га, несущая способность РПП < 60 кПа: рекомендуется применить пневмоколеса с широкими шинами. При этом глубина колеи – 10-15 см. 4. Анализ сцепных свойств показывает, что при увеличении нормы полива с 300 до 500 м3/га коэффициент сцепления снижается от 0,32 до 0,25, при этом коэффициент сопротивления качению имеет обратную зависимость от 0,15 до 0,20. 5. Увеличение пролета с 48,7 м до 65,25 м уменьшает проходимость на 25-30%. При эксплуатации машины на местности с уклоном или при значительных нормах полива необходимо устанавливать колеса с более широким профилем либо трехколесных систем. 6. Оценка эксплуатационных затрат ходовых систем показывает, что при практически одинаковых показателях проходимости цена при установке трех колес значительно возрастает, даже без учета затрат дополнительных элементов металлоконструкции и привода. Рациональность применения трехколесных систем определяется не возможностью обеспечения параметров проходимости двухколесных тележек. 7. Результаты диссертационной работы были внедрены в УНПО «Поволжье» ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ (с. Степное Энгельсского района Саратовской области), УНПК Агроцентра СГАУ; ООО «Наше дело» (Саратовская область, Марксовский район). Предложения и рекомендации производству: 1. Производителям дождевальной техники и эксплуатирующим организациям рекомендуется использовать оптимальные соотношения конструктивных параметров водопроводящего трубопровода, длин пролетов и типов ходовых систем в зависимости от норм полива и несущей способности почвы; 2. Проектным организациям применить результаты диссертационной работы как разработанные методики расчета, математические зависимости так и результаты проведенных экспериментов для проектирования ДМ.