Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Цукуров Алексей Михайлович. Агрофизические основы защиты черноземов от воздействия опорно-ходовой части сельскохозяйственных машин : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.01 Новочеркасск, 1997 376 с. РГБ ОД, 71:99-5/701-1

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

1. АНАЛИЗ ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ХОДОВЫХ СИСТЕМ НА ПОЧВУ 14

  1. Уплотнение почвы и его влияние на урожайность сельскохозяйственных культур 14

  2. Мероприятия по устранению негативных последствий воздействия машин на почву 23

2. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ШИНЫ НА ПОЧВУ 26

  1. Модели, используемые для исследования процесса уплотнения почв 26

  2. Анализ существующих решений задачи о взаимодействии деформируемых пневматика и почвы 30

  3. Анализ результатов исследований деформации почвы 39

  4. Результаты исследований тягово-сцепных свойств

системы шина-почва 46

  1. О принципиальном несоответствии между существующими моделями и реальной системой машина - почва 47

  2. Действительный характер деформации почвы штампом 54

  3. Моделирование системы машина - почва - растение 57

ВЫВОДЫ ...60

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 62

ГИПОТЕЗА 63

3. ПОЧВЕННОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО 65

  1. Свойства почвенного полупространства 65

  2. Условие существования полупространства 68

  1. Гидрофизическая, полидисперсная, гетерогенная модель локального объема почвенного полупространства 70

  2. Математическое описание полидисперсной

гетерогенной модели почвы 75

3.5. Соотношение плотности и прочности почвы 84

ВЫВОДЫ 88

4. ДЕФОРМАЦИЯ ПОЧВЫ ТЯЖЕЛЫМ ШТАМПОМ 89

  1. Общая характеристика системы почва-штамп 89

  2. О детерминированном характере границы области деформации 91

  3. Аналитическая форма переменной части порового

объема почвы 96

4.4. Определение области радиальных и осевых

перемещений почвенной массы при сжатии 99

4.4.1. Моделирование процесса погружения штампа

в почвенное полупространство 103

  1. Факторы, определяющие глубину области сжатия почвы 108

  2. Определение области деформаций для микроштампа 112

  3. Коэффициент бокового давления и факторы

его определяющие 114

  1. Методика расчета глубины погружения штампа в почву 118

  2. Зависимость "твердости" почвы от размера

наконечника твердомера 130

  1. Анализ теоретической зависимости размеров области деформации почвы от параметров деформатора 134

  2. Методика расчета глубины погружения штампа

по диаграмме внедрения наконечника 137

4.5. Уравнение деформации почвы с учетом формирования
уплотненного конуса под штампом 144

4.6. Зависимость глубины погружения штампа от площади

контакта при наличии зоны максимальной плотности 149

4.6.1. Опытная проверка зависимости деформации от размера
микроштампа при постоянном уровне удельного давления 151

4.7. Зависимость "твердости" почвы от размера микроштампа

при постоянной величине деформации 153

4.7.1. Опытная проверка зависимости "твердости" почвы от размера
микроштампа при постоянной величине глубины погружения 154

4.8. Физическая сущность процесса погружения тяжелого круга

в почвенное полупространство 159

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 163

5. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ
ПОЧВА-ШИНА .....164

5.1. Энергетический переход от жесткого штампа

к деформируемой шине 164

  1. Оптимизация размеров шины по уплотняющему воздействию на почву 170

  2. Анализ влияния параметров колеса с шиной

на состояние почвы 176

  1. Анализ влияния удельного давления шины на показатели состояния почвы 177

  2. Анализ влияния ширины шины на состояние почвы 183

  3. Аналитический расчет оптимальной ширины шины 190

5.4. Оценка параллельной и последовательной установки колес

по воздействию на почву 192

5.4.1. Оценка воздействия на почву параллельной

установки колес 193

5.4.2. Приближенная оценка воздействия на почву
последовательной установки колес 197

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 203

6. КАЧЕНИЕ КОЛЕСА С ШИНОЙ 204

6.1. Метод расчета сопротивления качению деформируемого

колеса по деформируемому основанию 204

6.2. Расчет сопротивления качению деформируемого колеса

по жесткому основанию 212

6.3. Воздействие на почву шин с зацепами 223

6. 4. Работа шины в ведущем режиме 226

6.4.1. Работав ведущем режиме шины без развитых зацепов 227

ВЫВОДЫ 237

7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

МОБИЛЬНЫХ МАШИН С ПОЧВОЙ 239

  1. Экологическая совместимость машины с почвой 240

  2. Оценка степени совместимости с почвой современных тракторов 243

  3. Параметры машины, экологически безопасной для почв 249

  4. Методика расчета параметров состояния почвы

после прохода машины 253

7.5. Методика расчета эксплуатационной массы трактора

по ограничению воздействия на почву 261

7.6. Понятие о коэффициенте полезного действия системы

машина- почва 268

ВЫВОДЫ 271

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 272

8.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 272

8.1.1. Планирование эксперимента по проверке математической
модели погружения штампа в почву 273

8.2, Реализация плана эксперимента...... 276

8.3. Экспериментальные исследования уплотняющего воздействия

пластинчатого движителя на почву 280

8.3.1. Результаты испытаний колесного трактора, оборудованного
движителем шагающего типа 281

8.4. Экспериментальные исследования движителя-рыхлителя
игольчатого типа 283

  1. Теоретическая основа движителя-рыхлителя 284

  2. Принцип действия движителя-рыхлителя 286

  3. Испытания движителя-рыхлителя 290

  4. Анализ результатов опытной проверки

движителя-рыхлителя 293

8.5 Трактор экологической версии 296

  1. Экспериментальная проверка расчетного метода определения сопротивления качения колеса с шиной 300

  2. Экспериментальная проверка результатов расчета параметров состояния почвы по следам колес 304

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 313

ЛИТЕРАТУРА 320

ПРИЛОЖЕНИЯ 343

Введение к работе:

Актуальность работы. Современная механизированная технология обработки почв, ухода за посевами и уборки урожая определяется как компрессионная.

Обусловлено это тем, что любая операция, выполняемая машинным агрегатом, сопровождается сжатием почвы.

В результате этого на несколько процентов увеличивается ее плотность и на десятки процентов повышается сопротивление рыхлению.

При этом глубина уплотнения оказывается существенно большей, чем глубина пахоты.

Согласно обобщенным данным журнала "Механизация и электрификация сельского хозяйства", тяговое сопротивление в среднем повышается на 25% по следу гусеничных, на 40 - по следу колесных и на 65 % после прохода комбайнов, автомобилей и прицепов.

В большей степени это проявляется на влажных почвах и суглинистых черноземах, в частности.

Не представляется бесспорным сам принцип создания силы тяги, применяемый в растениеводстве. Для ее получения движителем трактора уплотняется и упрочняется прежде всего верхний слой. И только после этого рабочие органы агрегатируемой машины разрушают упрочненный объем, потребляя повышенную мощность. Если учесть, что часть энергии двигателя трактора затрачивается на рыхление почвы, упрочненной действием массы того же трактора, то оказывается, что его действительный коэффициент полезного действия существенно, в 1,5-1,8 раза меньше, чем условный тяговый, равный отношению мощности на крюке к эффективной мощности двигателя.

Значительный объем экспериментальных исследований, выполненный научно-исследовательскими организациями, подтвердил факт негативных воздействий движителей, но не обнаружил аналитические связи

между параметрами состояния почвы после воздействия машины и технической характеристикой последней.

Искусственно создаваемое упрочнение почв перед их рыхлением, недобор урожая, увеличение затрат энергии на почвообработку, развитие процесса стерилизации почв, все это сделало актуальной проблему защиты почв от воздействия опорно-ходовой части машин.

Характеристика ситуации будет неполной, если не отметить принятый с 1986 г. вариант решения проблемы.

Для защиты почв введены ГОСТы, ограничивающие удельное давление и расчетное механическое напряжение на глубине 0,5 м.

Методика расчета принята из механики грунтов, основу которой составляет теория однородной, изотропной среды.

Расчетный аппарат механики грунтов применим для диапазона площадей 0,25...45 м.кв. однородных изотропных грунтов.

Ограничение области применения объясняется тем, что при малых площадях распределенной нагрузки зависимость деформации от площади принимает характер, обратный тому, который имеет место в указанном диапазоне.

Площадь контакта единичного колеса сельскохозяйственной машины находится за пределами названных размеров площади,

Поэтому принимать расчетное механическое напряжение в качестве критериальной оценки воздействия колеса на почву, нет достаточных оснований.

Представление о том, что решение проблемы сводится к снижению только удельного давления, так же недостаточно обосновано.

При малых площадях распределенной нагрузки, размер штампа в определении величины деформации имеет такое же значение, как и давление.

Анализ работ, относящихся к теоретической части решения проблемы защиты почв от воздействия движителей машин, указывает на необхо-

димость поиска расчетного аппарата, который позволял бы прогнозировать изменения почвенных условий развития растений после воздействия распределенной нагрузки.

С учетом существующего положения в механизации растениеводства, в число приоритетных выдвигается научно-техническая проблема: разработать основные принципы теории изменения свойств черноземов под воздействием распределенной нагрузки и на этой основе создать процессы и технические средства, позволяющие исключить негативные явления в почве и реализовать сберегающую технологию выращивания урожая.

Цель работы: обоснование, разработка и реализация в производственных условиях новых процессов, технических средств воздействия на почву и создания силы тяги - основы энергосберегающей, экологически безопасной технологии выращивания урожая сельскохозяйственных культур.

Объекты исследования: система "почва-штамп", "почва-шина", "почва-конус", а также пластинчатый и игольчатый движители.

Методы исследования: теоретический - математическое моделирование исследуемых систем; экспериментальный - проверка теоретических результатов в лабораторных и полевых условиях на реальных машинных агрегатах, в том числе разработанных автором диссертации.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем.

В теории уплотнения почвы : традиционное допущение об однородности и изотропности почвенного полупространства не использовано в связи с его несостоятельностью; при описании процесса деформирования не нашли применения модуль общей деформации, коэффициент Пуассона, модуль сдвига; для описания состояния почвы до и после воздействия распределенной нагрузки, а так же величины деформации использованы аг-

рофизические показатели: влажность, плотность, соотношение объема влаги, газа и скелета, градиент сопротивления внедрению наконечника по глубине полупространства.

В отличие от грунтового, почвенное полупространство - агрегированное. А так как размеры агрегатов с глубиной уменьшаются, то почвенное полупространство переходит с глубиной в грунтовое и приобретает свойства сплошной среды, в т.ч. однородность и изотропию.

Раскрытие механизма уплотнения и его математическое описание дало возможность объяснить зависимость "твердости" от размера наконечника твердомера.

В теории взаимодействия колеса с почвой: переход от штампа к реальному колесу с шиной выполнен посредством закона сохранения энергии ; расчет сопротивления качения деформируемого колеса по деформируемому основанию выполнен с учетом прямых показателей агрофизических свойств почвы и реальной характеристики шины; дана теоретическая оценка эффективности параллельной и последовательной установки колес: используя соотношения фаз, а также переменную и постоянную составляющие объема почвенного воздуха, решена ключевая задача о положении центра давления колеса; это значительно повысило степень детерминированности расчета тяговой характеристики машины; удельное давление определяет глубину следа современного колеса, а масса машины - объем и глубину области уплотнения; коэффициенты сцепления, сопротивления качению представлены в виде конкретных функций параметров состояния почвы и колеса.

В теории системы "машина-почва": введено понятие: коэффициент полезного действия системы "машина-почва"; обнаружен новый принцип создания силы тяги; жесткая связь между массой и силой тяги машины устранена, что дает реальную возможность перехода на качественно новый

уровень механизации в растениеводстве, и на его базе разработку экологически безопасных, энергосберегающих технологий.

Практическая значимость результатов исследования.

Математическая модель именно почвенного полупространства позволяет уже на стадии проектирования новых машин или при планировании полевых работ, выполняемых серийными, оценивать их тяговую способность , проходимость, последствия воздействия на почву.

Для этого представлены в работе методики: расчет массы трактора по ограничению воздействия на почву; расчет параметров состояния почвы после прохода машины.

Выявленная зависимость оценки твердости почвы от размера наконечника является основанием для изменения соответствующих нормативных документов.

Коэффициент полезного действия системы "машина-почва" дает, в отличие от условного тягового КПД, объективную характеристику машины по экономии энергии и степени совместимости с почвой.

Оценка сдваивания колес служит основным ориентиром на стадии разработки компановочной схемы машины.

Использование нового принципа создания силы тяги и устранение ее зависимости от массы машины обеспечивает не только защиту почв от переуплотнения, но и значительную (40...60 %) экономию топлива за счет уменьшения массы и одновременного повышения в 6-8 раз коэффициента сцепления.

Полученные при полевых испытаниях опытных образцов машин результаты рекомендуются МИС использовать для проектирования промышленных образцов почворыхлящих, тяговых машин, экологически безопасных для почв.

Реализация результатов исследований. В созданных конструкциях движителей: пластинчатом ( а.с. № 1094776, кл.А) и игольчатом ( патент

РФ № 20111995) использованы результаты теоретических исследований анизотропного, агрегированного полупространства.

На базе игольчатого разработана конструкция самоходного плуга, построен и испытан пешеходный вариант почворыхлящеи тяговой машины экологической версии с высокими тягово-сцепными свойствами и энергонасыщенностью - 75 кВт/т.

Оценка совместимости машин с почвой включена в типовую программу по тракторам и автомобилям для факультетов механизации.

Наиболее значимые результаты включены в последний вариант Примерной программы по той же дисциплине, утвержденной УМО.

Читается спецкурс "Основы расчета машин, экологически безопасных для почв".

Часть результатов исследований вошла в учебник: "Эксплуатация машинно-тракторного парка", изданного за рубежом (на исп. яз.).

Основные положения и рекомендации приняты к использованию Министерством экологии и охраны природы (1993 г.); ВНИПТИМЭСХ (1998 г.); ПО "Ростсельмаш", ВИСХОМ (1992 г.).

Конструкции пешеходных вариантов тракторов-рыхлителей используются в отдельных хозяйствах Ростовской области.

Апробация. В период с 1977 по 1998 гг. материалы диссертации докладывались ежегодно на научных конференциях различного уровня, за рубежом, в том числе на Международной научной конференции (1985 г. г.Гавана), на Всесоюзной конференции по механизации мелиоративных работ (1990 г.); результаты исследований обсуждены и одобрены на объединенном заседании Совета отраслевого научного комплекса по гидротехнике и мелиорации РАСХН, на ученом совете ВНИПТИМЭСХ, на расширенном заседании отделов ВИСХОМ, в Саратовском агро-инженерном университете, в отделе охраны почв Минэкологии и охраны окружающей среды РФ.

Представляемая работа выполнена в соответствии с планом исследований Новочеркасской государственной мелиоративной академии (тема 5.2 - Защита почвы и воздуха от негативных воздействий машин).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа, в т.ч. 3 монографии, 1 учебник для вузов; 23 научных статьи опубликовано в журналах центральных издательств, в т.ч. зарубежных.

В работе использованы материалы собственных исследований и обобщений автора.

На защиту выносятся следующие понятия и результаты:

модель почвенной частицы, агрегата и полупространства;

понятие о действительном коэффициенте полезного действия системы: машина-почвенное полупространство;

понятие о почвенном слое и почвенном полупространстве как характеристике системы деформатор-почва;

понятие о средней распределенной нагрузке шины на почву;

зависимость деформации почвы от площади контакта и жесткости шины;

зависимость оценки твердости почвы от размера наконечника твердомера;

аналитический способ расчета сопротивления качению колеса с шиной по деформируемому основанию;

определение центра давления шины на почву;

экспертиза мобильных машин по их воздействию на почву;

принципиальная схема работы энергосберегающего, реактивного движителя, экологически безопасного для почв;

результаты полевых испытаний трактора экологической версии.

Автор благодарен И.П. Ксеневичу и [В.В. Кацыгинуь а также сотрудникам ВИМ, работы которых в значительной степени определили направленность и конкретное содержание выполненного исследования.

Подобные работы
Борисова Людмила Викторовна
Повышение эффективности функционирования уборочных машин на основе моделей экспертных знаний
Мударисов Салават Гумерович
Повышение качества обработки почвы путем совершенствования рабочих органов машин на основе моделирования технологического процесса
Нуруллин Эльмас Габбасович
Разработка основ теории и машин пневмомеханического шелушения зерна крупяных культур
Капов Султан Нануович
Механико-технологические основы разработки энергосберегающих почвообрабатывающих машин
Алатырев Сергей Сергеевич
Научно-методические основы и средства адаптирования машин для уборки капусты к изменяющимся условиям функционирования
Панов Иван Михайлович
Механико-технологические основы расчета и проектирования почвообрабатывающих машин с ротационными рабочими органами
Фоминых Александр Васильевич
Повышение эффективности сепарирования зерна и сои на основе совершенствования фракционных технологий и машин
Рахимов Ильдар Раисович
Совершенствование рабочих органов машин для основной обработки почвы на основе моделирования процесса взаимодействия клина с почвой
Гайфуллин Гаяз Закирович
Механико-технологические основы разработки и совершенствования рабочих органов машин для почвозащитного земледелия
Шаповал Борис Григорьевич
Анализ условий эксплуатации и работоспособности подшипников качения машин сельскохозяйственного назначения для разработки научных основ метода расчета их долговечности

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net