Совершенствование конструкций культиваторов-окучников для обработки почв засоренных камнями

В настоящее время в большинстве хозяйств Северо-Кавказского региона, расположенных в горной и предгорной зонах возделывания сельскохозяйственных культур, имеющаяся в наличии техника сильно изношена, ввиду чего часто выходит из строя. Одним из факторов, усугубляющих положение и способствующих интенсивному выходу из строя почвообрабатывающей техники, является засоренность почв камнями. Приобретать же камнеуборочные машины хозяйства сегодня не в силах.

К числу сельскохозяйственных машин, чувствительных к засоренности почвы камнями, относятся и культиваторы-окучники. Для обработки каменистых почв отечественными и зарубежными предприятиями освоен выпуск ряда культиваторов-окучников. Некоторые из них, для облегчения обхода камней рабочими органами, оснащаются предохранительными устройствами, что, в свою очередь, приводит к усложнению конструктивной схемы машины. Кроме того, окучники с предохранительными устройствами и жесткими стойками имеют значительное тяговое сопротивление. Для уменьшения тягового сопротивления отдельные марки культиваторов-окучников вместе с рычажными предохранителями дополнительно оснащаются упругими стойками, что позволяет снизить тяговое сопротивление по сравнению с машинами, оборудованными только предохранительными устройствами. Однако, при этом возрастает металлоемкость машины, конструктивная сложность и стоимость.

Наиболее эффективными являются последние образцы культиваторов-окучников, в которых корпуса закреплены на упругих стойках. В их конструкциях предохранительные устройства исключаются полностью, а обход препятствия осуществляется за счет деформации стоек.

Многочисленными исследованиями установлено, что рабочие органы на упругих стойках имеют меньшее тяговое сопротивление по сравнению с рабочими органами на жестких стойках и обеспечивают более качественное выполнение технологического процесса. В настоящее время наибольшее применение в конструкциях культиваторов окучников нашли многофункциональные упругие стойки типа «Vederstand». Для их производства используются высокопрочные, легированные стали, а сами стойки чувствительны к технологии их изготовления. Большие размеры стоек резко ограничивают число предприятий, способных их изготавливать, так как для этого необходимы крупногабаритные термические печи для закалки.

Вышеизложенное негативно отражается на стоимости стоек и машин в целом.

Другим серьезным недостатком этих стоек является невозможность регулирования их упругости. Так как почвенные условия на территории даже ф одного хозяйства предгорной зоны могут разительно отличаться друг от друга, стойки не всегда работают в оптимальном режиме. Жесткость их зачастую бывает или завышенной, или заниженной.

Имеющиеся в хозяйствах предгорной зоны культиваторы-окучники, оснащенные стандартными корпусами на жестких стойках, плохо приспособлены для работы на каменистых почвах. Поэтому модернизация этих корпусов с целью улучшения показателей работы на каменистых почвах также представляет собой большой научно-практический интерес.

На основании вышеизложенного можно заключить, что работа, посвященная разработке регулируемых упругих стоек с возможностью их изготовления из вторичного сырья, разработке и модернизации корпусов, хорошо приспособленных для работы на каменистых почвах, является актуальной.

Научная новизна.

Научная новизна заключается в результатах:

— исследования микрорельефа засоренных камнями полей и изменения твердости их почвы, а также размерно-массовых характеристик камней;

— теоретического анализа процессов взаимодействия предложенных рабочих органов с почвой и камнями, на основании, которого определены оптимальные значения их основных параметров;

— лабораторных и полевых исследований, предлагаемых образцов подтверждающих правомерность сформулированных положений и математических моделей.

Техническая новизна одного предложенного решения подтверждена патентом РФ на изобретение, заявки на выдачу патентов по остальным устройствам находятся на рассмотрении.

Практическая ценность.

Практическую значимость представляют модернизированные и новые образцы рабочих органов культиваторов-окучников для обработки почв, засоренных камнями. Предложенные конструкции имеют широкий диапазон регулировки и меньшее тяговое сопротивление по сравнению с серийными образцами.

Все рабочие органы разработаны в соответствии с технологическими возможностями предприятий г. Владикавказа.

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований реализованы в опытных образцах корпусов и стоек культиваторов-окучников, разрабатывавшихся и испытывавшихся с 2001 по 2005 гг.

Результаты исследования приняты к внедрению МСХ РСО-Алания и ЦОКБ Горского ГАУ для создания перспективных образцов окучников и модернизации имеющейся в хозяйствах техники.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах, в числе которых один патент на изобретение и одно положительное решение на выдачу патента.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на ежегодных научно-производственных конференциях ГТАУ, СКНИИГПСХ и НПО «Горное» в 2001;2005 гг, на 2-ой международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в садоводстве» (Москва, ВСТИСП, 2003 г), на.

1-ой международной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные и новые направления сельскохозяйственной науки» (г. Владикавказ, 2005 г), на заседании НТС НСХ РСО-Алании (г. Владикавказ 2005г), на технических советах в хозяйствах.

На защиту выносятся результаты:

— анализа современных конструкций рабочих органов культиваторов-окучников;

— исследования некоторых физико-технологических характеристик почв засоренных камнями;

— теоретических и экспериментальных исследований процессов взаимодействия новых и усовершенствованных рабочих органов с почвой и камнями;

— полевых исследований машин с предложенными рабочими органами и расчета их экономической эффективности.

Общие выводы.

1. Анализ конструкций культиваторов — окучников для обработки почв, засоренных камнями, показал, что им присущ ряд недостатков. Культиваторы-окучники с пружинными предохранителями конструктивно сложнее и более энергои металлоемки, чем машины с упругими стойками последнего поколения. Однако, при работе на каменистых почвах имеют место случаи поломки стоек, а отсутствие регулировки их упругости не всегда позволяет работать в наиболее эргономочном режиме. Существующие корпуса с лемешно-отвальной поверхностью также обладают большими значениями тягового сопротивления при взаимодействии с почвой и камнями, и не всегда обеспечивают хорошее качество обработки почвы.

2. Исследованиями некоторых физико-технологических характеристик засоренных камнями полей на территории РСО — Алании перед проведением на них операции окучивания установлено:

— нормированная корреляционная функция рельефа хорошо апроксимируется уравнением вида p (e) = e~at cos/J?, с коэффициентами. or е [0,7.,.0,901]рад/м, 0 = 0,83 рад/м. Наибольшее значение спектральной плотности обеспечивается частотами 0,8 .1 рад/м, причем значения дисперсии на частотах по рядам варьируют в пределах 1,8. 13,2 см²;

— среднее значение твердости почвы в период окучивания растений по сравнению с периодом нарезки борозд возрастает почти в 3 раза, а основной спектр частот изменения твердости смещается в область низких значений 0,8.4 Гц;

— средние значения размерно-массовых характеристик камней составили: длина 0,137 м, ширина 0,094 м, высота 0,066 м, масса 1,48 кг со среднеквадратическим отклонением 1,47 кг. На исследуемом поле в 15-ти сантиметровом слое почвы среднее значение расстояния между камнями составило 0,95 м, глубина залегания 0,0889 м.

3. С учетом выявленных недостатков существующих рабочих органов культиваторов-окучников разработаны конструктивные схемы перспективных корпусов — OK -1, ОК -2 и ОК -3- а также регулируемой упругой стойки УС — 5 М.

4. Разработано математическое обеспечение для расчета жесткости и частоты собственных колебаний упругих стоек предложенной конструкции. Установлено, что в конструкцию стойки целесообразно заложить следующие параметры: диаметр прута основной пружины ё=0,028 м, средний диаметр пружины D=0,17m, число витков п= 2,5.4, расстояние от нижних витков пружины до носка рабочего органа 0,56 м. Расчетные значения частоты собственных колебаний стойки в различной комплектации с корпусом находятся в диапазоне 6,4.8,6 Гц.

5. Анализ процесса взаимодействия с почвой стоек, предложенной конструкции, проведенный с применением теории эквивалентного бруса, находящегося под воздействием случайной силы, показал, что разработанные стойки легко входят в резонансный режим, что благоприятно отражается на качестве обработки почвы и снижении тягового сопротивления.

6. Теоретическими исследованиями процесса взаимодействия камня с корпусом, оснащенным камнеотражателем, установлено, что при скорости агрегата до 3 м/с надежный обход камня обеспечивается при угле наклона тяг Ро> 15° и угле наклона основной грани камнеотражателя ак1 е [45.500 J Для корпусов ОК — 1 и ОК — 2 диаметр прутков и скоб d п =10. 12 мм, жесткость пружины для корпуса ОК-3 С < 6,4 кН/м.

7. Экспериментально исследованы жесткость и частота собственных колебаний предложенной стойки УС — 5 М в различных вариантах ее комплектации. В зависимости от варианта комплектации жесткость УС — 5 М находится в диапазоне 7,14.33,3 кН/м, частота колебаний находится в пределах 4,6.8,4 Гц.

8. Экспериментально изучен процесс взаимодействия разработанных корпусов с камнями при установке их в серийную подвеску и предложенную упругую стойку. При оснащении корпусов камнеотражателями максимальное значение силы тяги в зависимости от испытываемого варианта находится в диапазоне 1,14.2,92 кН.

9. Полевые исследования подтвердили высокую надежность и хорошее качество работы предложенных устройств. Установлено, что в тяжелых условиях эксплуатации при окучивании культурных растений, произрастающих на каменистых почвах, предложенные устройства, по сравнению с серийными, обеспечивают снижение тягового сопротивления до 48%. На основании результатов полевых испытаний уточнены конструктивные параметры некоторых технических решений.

10. В зависимости от вариантов изготовления и внедрения предложенных устройств расчетное значение годового экономического эффекта составляет 7020.73 750 руб.

Предложения производству.

Производству предлагаются разработанные образцы корпусов культиваторов-окучников ОК-1 (с прутками в резиновых амортизаторах), ОК-2 (прутковый), ОК-3 (с подпружиненными отвалами) и образцы упругих стоек окучников УС-1, УС-5 и УС-5М с параметрами обоснованными в диссертации. Для их производства не требуется высокотехнологичное оборудование, возможно также использование вторичного сырья ремонтных предприятий. Предложенные технические решения пригодны для оснащения новых машин, а отдельные образцы — для переоборудования имеющейся в хозяйствах техники.