Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84)

УДК 631.313.6

Анализ факторов, влияющих на коэффициент полезного действия дисковой бороны

Е.В. Припоров, канд. техн. наук; А.Б. Шепелев, канд. техн. наук

ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ

Авторами предложена методика комплектования тягового агрегата на базе современных тракторов [1]. Разработана конструкция дозатора центробежного аппарата, которая позволяет снизить отражение частиц от рабочих органов рассеивающего диска и повысить равномерность поверхностного распределения удобрений [2, 3]. При согласовании рабочей ширины захвата опрыскивателей и распределителей минеральных удобрений для проведения цикла работ весенне-летнего периода имеются определённые сложности [4].

В ресурсосберегающих технологиях подготовки почвы под посев зерновых после пропашных культур находят широкое применение дисковые бороны с рядной установкой сферических дисков на индивидуальной стойке. Качество обработки почвы этими орудиями отвечает исходным требованиям к почвообрабатывающим машинам, в числе которых полное подрезание растений, измельчение комков почвы до требуемого размера фракции. В зависимости от числа параллельно установленных рядов на раме различают двухрядные, трёхрядные и четырёхрядные дисковые бороны. Двухрядные и трёхрядные дисковые бороны используют для обработки почвы после сахарной свёклы и многолетних трав, четырёхрядные – для обработки почвы после крупностебельных пропашных культур (кукуруза и подсолнечник). Установлено, что двухрядное расположение сферических дисков из-за большого расстояния между соседними дисками в ряду создаёт необработанные полосы в междисковом пространстве [5].

При проведении предпосевной культивации для посева зерновых за два прохода эти дисковые орудия обеспечивают измельчение почвы в соответствии с требованиями ГОСТа 26244 – 84 «Обработка почвы предпосевная. Требования к качеству и методы определения». Четырёхрядные дисковые бороны обеспечивают качественную обработку крупностебельных пропашных культур. За два прохода дисковой бороны степень измельчения пожнивных остатков крупностебельных пропашных культур составляет более 50 %, что соответствует требованиям.

Для выполнения технологической операции рабочей машиной требуются определённые затраты механической энергии. Доля полезных затрат энергии оценивается коэффициентом полезного действия. Величина этого коэффициента находится в интервале от 0,2 до 0,8 [6]. Обзор литературных источников свидетельствует, что отсутствует расчётная формула по определению коэффициента полезного действия дисковой бороны с параллельным расположением сферических дисков.

Цель исследования – определить факторы, влияющие на коэффициент полезного действия дисковой бороны с установкой диска на индивидуальной оси.

Материал и методы исследования. Известно, что тяговое сопротивление дисковой бороны описывается рациональной формулой В.П. Горячкина для плуга [7]. Величина тягового сопротивления применительно к дисковой бороне с общим числом дисков n, каждый из которых установлен на индивидуальной оси, имеет вид:

R = f G + kabn + εabnv ², (1)

где R – тяговое сопротивление дисковой бороны, кН;

G – эксплуатационный вес машины, кН;

а – глубина обработки, м;

b – ширина захвата сферического диска, м;

n – общее число дисков, шт.;

ε – величина, характеризующая затраты энергии на отбрасывание пласта, кН-с ² /м ⁴, для плуга 0,15 – 0,2 кН-с ² /м ⁴ [7].

Величина тягового сопротивления дисковой бороны включает затраты энергии на перекатывание и затраты на технологический процесс обработки почвы, крошение почвы и отбрасывание с наружной поверхности сферического диска.

Ширина захвата единичного сферического диска определяется по известной формуле [8]:

(2)

где α – угол установки диска к направлению движения агрегата, град.;

β – угол наклона диска в вертикальной плоскости, град.;

a – глубина обработки, м;

D – диаметр сферического диска, м.

От величины угла установки диска к направлению движения агрегата зависит глубина обработки.

С учётом выражения 2 тяговое сопротивление дисковой бороны составит:

. (3)

Результаты исследования. Важный параметр дисковой бороны – нагрузка на диск, величина которой определяет способность диска поддерживать установленную глубину обработки. Величина этого параметра определяет долю эксплуатационного веса дисковой бороны, который приходится на сферический диск во время выполнения технологической операции. Нагрузка на диск, очевидно, составляет:

(4)

где Р_д – нагрузка на диск, кН.

Выполненный анализ этого параметра отечественных дисковых борон свидетельствует, что при ширине захвата до 3 м включительно нагрузка на диск не превышает 0,6 кН, а при ширине захвата до 8 м достигает 1,4 кН [9]. В зарубежных конструкциях дисковых борон нагрузка на диск не превышает 0,7 кН [9].

Увеличение нагрузки на диск достигается за счёт установки балластных грузов на раму. Эксплуатационный вес дисковой бороны исходя из требуемой нагрузки на сферический диск составляет:

G = P_д n. (5)

Тяговое сопротивление дисковой бороны с учётом выражения (5) составит:

(6)

Коэффициент полезного действия машины, как известно, представляет долю полезной работы от общей работы на выполнение технологической операции. В дисковой бороне вредные затраты – эксплуатационный вес машины, который зависит от расхода металла на изготовление машины. Полезная работа совершается сферическим диском в процессе подрезания, крошения и отбрасывания пласта. Вредное сопротивление, при котором не совершается работа, – перемещение рабочей машины, имеющей определённый эксплуатационный вес. Увеличение массы металла в конструкции дисковой бороны увеличивает и величину затрат на перекатывание рабочей машины. Отличительной особенностью дисковых борон от других почвообрабатывающих орудий является то, что вес машины расходуется на создание нагрузки на сферический диск. Величина этой нагрузки во время движения агрегата обеспечивает поддержание требуемой глубины обработки, величина которой зависит от угла установки диска к направлению движения.

Величину коэффициента полезного действия дисковой бороны представляет отношение:

где R_тп – сила тяги бороны на совершение технологического процесса, кН.

По аналогии с коэффициентом полезного действия плуга по В.П. Горячкину [7] для дисковой бороны величина этого коэффициента составит:

(7)

На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки на диск.

Рис. 1 – Зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки на диск:

1 – глубина обработки 0,12 м; 2 – глубина обработки 0,06 м; исходные данные при построении графика: коэффициент сопротивления на перекатывание по стерне 0,2; угол установки диска к направлению движения 20°; угол наклона диска в вертикальной плоскости 10°; удельное тяговое сопротивление почвы 40 кПа; затраты энергии на отбрасывание почвы 0,4 кН-с ² /м ⁴ ; скорость агрегата 3,5 м/с; число дисков 30

Согласно графику по мере увеличения нагрузки на диск увеличивается эксплуатационный вес, при постоянной глубине обработки снижается коэффициент полезного действия машины, что обусловлено возрастанием необходимой силы на перемещение машины. При постоянном значении нагрузки на диск и величине эксплуатационного веса по мере увеличения глубины обработки от 0,06 до 0,12 м увеличиваются полезные затраты энергии, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия.

Зависимость коэффициента полезного действия от глубины обработки представлена на рисунке 2.

Анализ графика свидетельствует, что по мере увеличения глубины обработки, при постоянном значении нагрузки на диск и эксплуатационного веса, возрастает сила на подрезание, крошение и отбрасывание пласта сферическим диском. Это приводит к росту коэффициента полезного действия. По мере уменьшения нагрузки на диск от 1,2 до 0,6 кН и соответственно эксплуатационного веса снижаются затраты энергии на перекатывание, что увеличивает коэффициент полезного действия дисковой бороны.

Зависимость коэффициента полезного действия от удельного тягового сопротивления почвы при разной нагрузке на диск представлена на рисунке 3. При постоянном значении удельного тягового сопротивления почвы остаётся неизменной величина тягового сопротивления. Снижение нагрузки на диск от 1,2 до 0,6 кН приводит к пропорциональному уменьшению эксплуатационного веса и снижению затрат на перемещение металла, заключенного в дисковой бороне. Снижение этой составляющей при неизменной величине затрат на подрезание, крошение и отбрасывание частиц сопровождается увеличением коэффициента полезного действия.

Рис. 3 – Зависимость коэффициента полезного действия от удельного тягового сопротивления почвы:

1 – нагрузка на диск 1,2 кН; 2 – нагрузка на диск 0,6 кН; исходные данные при построении графика: коэффициент сопротивления на перекатывание по стерне 0,2; угол установки диска к направлению движения 20°; угол наклона диска в вертикальной плоскости 10°; глубина обработки 0,12 м; затраты энергии на отбрасывание почвы 0,4 кН-с ² /м ⁴ ; скорость агрегата 3,5 м/с; число дисков 30

Анализ графика 3 свидетельствует, что при постоянном значении нагрузки на диск и постоянном эксплуатационном весе дисковой бороны по мере увеличения удельного сопротивления почвы пропорционально растёт величина тягового сопротивления на рабочий процесс и возрастает коэффициент полезного действия.

Выводы

– тяговое сопротивление дисковой бороны зависит от конструктивных и технологических параметров сферического диска и скорости движения агрегата;

– эксплуатационный вес дисковой бороны устанавливается в зависимости от числа дисков и требуемой нагрузки для сохранения необходимой глубины обработки;

– коэффициент полезного действия дисковой бороны не зависит от конструктивных и технологических параметров установки сферического диска на раме;

– увеличение коэффициента полезного действия дисковой бороны достигается за счёт увеличения полезных затрат на работу сферического диска и снижения нагрузки на диск пропорциональным снижением эксплуатационного веса.

DOI 10.37670/2073-0853-2020-84-4-146-149

Опубликовано Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84), стр. 146-149

Аннотации