Повна версія дослідження (документ)
ВСТУП
Одним із найбільш застосовуваних способів основного обробітку грунту і нині залишається полицевий, який прийнято називати оранкою. На практиці, як відомо, вона здійснюється плугами.
Не дивлячись на досить широку номенклатуру їх марок, принципових змін конструкції даних ґрунтообробних знарядь дуже мало. А із тих, що відбулися, більшість спрямована на зменшення тягового опору плугів, оскільки оранка і нині залишається найбільш енергоємною технологічною операцією обробітку грунту.
У даному звіті викладено результати практичної реалізації одного із способів зменшення тягового опору плуга. Суть його полягає у заміні стальних полиць і польових дощок текроновими.
Текрон (tekrone) – це розроблений у Бельгії композитний матеріал на основі термопласти. Першим показником, за яким цей порівнюваний матеріал відрізняється досить суттєво від сталі, є щільність. У сталі вона щонайменше у 8 разів більша, ніж у текрону. Цілком зрозуміло, що це відповідним чином позначається на показнику нормалізованої твердості, яка у сталі теж вища. Водночас, за показниками модулів пружності та повзучості, межі текучості і відносної деформації при розтягу, зразки текрону та сталі відрізняються несуттєво.
Розглянуті вище фізико-технічні характеристики текрону в основному можуть репрезентувати довговічність і надійність функціонування виробу із нього.
Для зменшення тягового опору плуга більш важливою є така його характеристика, як коефіцієнт тертя. У нового матеріалу значина цього показника щонайменше у 2,6 рази менша, ніж у сталі. А такий факт потенційно вказує на те, що плуг, обладнаний текроновими плицями і польовими дошками замість стальних, може мати менший тяговий опір.
З іншого боку, малий коефіцієнт тертя полиці плуга із текрону потенційно обумовлює менший її знос від контакту із оброблюваним ґрунтом. Водночас, ця гіпотеза потребує експериментального підтвердження, що і було здійснено у даній роботі.
Знос текронових польових дощок у звітному періоді при цьому не досліджувався. Такі експериментальні дослідження передбачені програмою наукових робіт у 2021 році.
1 ПРОГРАМА ДОСЛІДЖЕНЬ
1.1 Визначення впливу текронових елементів плуга на його тяговий опір.
1.2 Оцінка ступеню зносу текронової полиці плуга
1.3 Експлуатаційно-технологічна оцінка роботи дослідного орного машинно-тракторного агрегату.
2 ОБ’ЄКТ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Об’єкт досліджень – плуг ПЛН-5-35, обладнаний як стальними, так і текроновими полицями та польовими дошками. Дане орне знаряддя агрегатували з трактором тягового класу 3 серії ХТЗ-170 (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Трактор ХТЗ-170 з плугом ПЛН-5-35,
обладнаним текроновими полицями
Коротка технічна характеристика орного агрегату
| Маса трактора ХТЗ-170, кг | 8100 |
| Потужність двигуна, кВт (к.с.) | 132,4 (180) |
| Колія, мм | 1860 |
| Шини | 23.1R26 |
| Експлуатаційна маса плуга, кг | 820 |
| Конструктивна ширина захвату плуга, м | 1,75 |
| Число корпусів плуга | 5 |
| Ширина захвату корпусу плуга, см | 35 |
Плуг ПЛН-5-35 приєднували до трактора ХТЗ-170 за двоточковою схемою так, щоб колеса правого борту даного енергетичного засобу переміщувалися по необробленому полю (тобто поза борозною).
Тиск повітря в шинах трактора установлювали у відповідністю з інструкцією щодо правил його експлуатації.
Штатні полиці і польові дошки плуга були виготовлені із сталі 60, а дослідні – із текрону (рис. 2.2). Довідникові дані текрону у порівнянні зі сталлю 60 наведено у таблиці 1.
Таблиця 1
Фізико-технічні характеристики текрону у порівнянні зі сталлю
| Показник | Одиниця вимірювання | Текрон | Сталь 60 |
| Щільність | кг/м3 | 930 | 7800 |
| Твердість нормалізована | – | 60 (по Шору) | 217 (НВ) |
| Модуль пружності при розтягу (1 мм/хв.) | MPa | 720 | 920 |
| Модуль повзучості при розтягу (1год) | MPa | 460 | 590 |
| Межа текучості при розтягу (50 мм/хв) | MPa | 17 | 17 |
| Відносна деформація розтягу (50 мм/хв) | % | 20 | 19 |
| Статичний коефіцієнт тертя (kf) | 0,20 | 0,52 |
Рис. 2.2. Текронові полиця і польові дошки
3 МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
3.1. Для вимірювання тягового опору плуга ПЛН-5-35 він був обладнаний тензометричною ланкою, розрахованою на реєстрування тягового зусилля 30…40 кН (рис. 3.1).
Рис.3.1. Тензометрична ланка, Рис. 3.2. Комп’ютер з АЦП
Електричний сигнал із цієї ланки через аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) поступав на комп’ютер, де з допомогою спеціального програмного забезпечення здійснювалась реєстрація тягового опору плуга.
До проведення польових досліджень визначали вологість і щільність грунту у шарі 0-30 см.
Вологість грунту на глибині 5…10 см визначали загальновідомим термостатно-ваговим методом. Реєстрували цей параметр до і після обробітку агрофону.
Для вимірювання щільності грунту у шарі 5…10 см використовували розроблений Таврійським ДАТУ прилад (рис. 3.3), створений на основі нового способу оцінювання цього важливого показника.
Рис. 3.3. Прилад для вимірювання щільності грунту
Особливістю цього приладу є те, що електронні ваги відтворюють не масу відібраного об’єму грунту, а безпосередньо його щільність [1].
Для вимірювання глибини оранки використовували глибиномір (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Прилад для вимірювання глибини оранки: 1 – рухомий штир; 2 – лінійка
Заміри глибини обробітку грунту здійснювали у 100 точках з інтервалом між ними у поздовжньому напрямку руху МТА 0,2 м.
Для визначення ширини захвату орного МТА перед його проходом від сліду крайнього робочого органу на певній заданій відстані L (у процесі лабораторно-польових досліджень L дорівнювало 2.5 м) з кроком 1 м установлювали 30 кілочків. Після походу агрегату рулеткою вимірювали відстань (hі) від кожного кілочка до крайнього прокладеної під час досліду сліду (рис. 3.5). Робочу ширину захвату ґрунтообробного машинно-тракторного агрегату (Вр) знаходили із виразу:
Вр= L – hi
Рис.3.5. Схема визначення робочої ширини захвату орного МТА:
Для визначення швидкості руху (Vp) боронувального агрегату на ділянці поля відмічали відрізки, довжиною 100 м кожний. При виконанні МТА технологічного процесу секундоміром реєстрували час (t) його проходження залікової ділянки. Шукану значину режиму руху агрегату розраховували при цьому із виразу:
Vp = 100/t
Для таких характеристик грунту, як вологість і щільність, необхідну кількість проб (n) визначали із виразу [2]:
n = t2 * V2/ D
де t – нормована значина t – критерію Стьюдента. За довірчої ймовірності 95% t = 1,96;
V і D – коефіцієнт варіації та допустима межа відхилення (показник точності) вимірюваного параметру.
Для більшості технічних задач визначати похибку вимірювань з точністю, більшою за 10%, – немає потреби [2]. Виходячи з цього в розрахунках нами було прийнято D = 0,1.
З урахування цього формулу (3.1) використовували у наступній остаточній редакції:
n = 384,16 * V2
Попередніми нашими дослідженнями встановлено, що коефіцієнти варіації вологості і щільності грунту практично не перевищують 20%, тобто V = 0.2.
З урахуванням цього для визначення вологості та щільності грунту здійснювали його відбір по n = 16 проб.
Повторність решти вимірюваних параметрів дорівнювала 2, що обумовлено рухом орного машинно-тракторного агрегату у прямому та зворотному напрямах.
Для глибини обробітку грунту плугом ПЛН-5-35 з допомогою розробленого в Таврійському ДАТУ пакету прикладних програм для отриманого масиву даних при заданому рівні довірчої ймовірності розраховували наступні статистичні характеристики:
- середню значину;
- середнє квадратичне відхилення (стандарт);
- дисперсію;
- коефіцієнт варіації;
- нормовану кореляційну функцію;
- нормовану спектральну щільність.
3.2. Знос текронової поверхні полиці плуга оцінювали шляхом її зважування до і після виконання польових випробувань. Для цього застосовували електронні ваги CAS AD-5H з максимальною величиною зважування 5 кг і точністю до 1 г.
Досліджувана полиця була розташована на останньому корпусі плуга.
3.3. .. Методика визначення експлуатаційно-технологічних показників роботи боронувального МТА повністю викладена у додатку А.
Крім вказаних у даному додатку показників додатково реєстрували:
- Вологість і щільність грунту;
- глибину обробітку грунту;
- робочу ширина захвату агрегату;
- швидкість робочого руху МТА.
Витрати пального боронувальним машинно-тракторним агрегатом визначали після завершення зміни методом контрольованої дозаправки пальним енергетичного засобу, з яким проводили випробування плуга.
4 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ
4.1 Вплив текронових елементів плуга на його тяговий опір
За результатами вимірювань середня значина щільності ґрунту дослідного поля у шарі 0…25 см дорівнювала 1,21 г/см3, а вологість – 22,8%.
Під час проведення експериментальних досліджень було установлено, що у стальних полиць корпусів плуга мало місце їх залипання ґрунтом (рис. 4.1).
Натомість, при застосуванні у тих же самих грунтових умовах текронових полиць цього явища практично не було (рис. 4.2).
Із практики використання орних знарядь відомо, що за наявності залипання полиць має місце рух «грунт по грунту». А це завжди призводить до зростання тягового опору плуга.
Рис. 4.1. Залипання стальних полиць плуга грунтом, Рис. 4.2. Стан текронових полиць плуга після його виглублення
За результатами аналізу експериментальних даних встановлено, що застосування текронових полиць і польових дощок замість стальних дозволило зменшити середню значину тягового опору досліджуваного плуга. Так, якщо зі стальними елементами корпуса орного знаряддя величина цього показника становила 34,5 кН, то з текроновими ‒ 29,8 кН. Отримана різниця між тяговими опорами плуга становить 4,7 кН або 13,6%.
Із довірчою ймовірністю 95% можна стверджувати, що ця різниця між середніми значинами тягових опорів плуга є суттєвою, оскільки вона значно перевищую найменшу істотну (НІР05), яка дорівнює лише 0,21 кН.
Дисперсія коливань тягового опору плуга з текроновими елементами становила 6,40 кН2. Значина цього статистичного параметру у орного знаряддя із стальними полицями та польовими дошками була більшою і дорівнювала 8,70 кН2. Водночас, за F-критерієм Фішера різниця між цими дисперсіями є несуттєвою.
Коефіцієнти варіації коливань тягових опорів для обох варіантів плуга не перевищували 9%.
Ширина захвату орних агрегатів для обох досліджуваних варіантів була однаковою і у середньому становила 1,76 ± 0,01 м.
Дійсна глибина оранки плугом з текроновими елементами змінювалась в межах 24,5 ± 0,3 см (табл. 4.1).
Таблиця 4.1
Статистичні параметри глибини оранки порівнюваними плугами
| Параметр | Сталеві полиці і польові дошки | Текронові полиці і польові дошки |
| Середнє значення, см | 23,9 | 24,5 |
| Довірчий інтервал (95%), см | 23,9 ± 0,3 | 24,5 ± 0,3 |
| Дисперсія, см2 | 1,80 | 1,51 |
| Середнє квадратичне відхилення, ± см | 1,34 | 1,23 |
| Коефіцієнт варіації, % | 5,6 | 5,0 |
| Найменша істотна різниця (НІР05), см | 0,4 | 0,4 |
При обробітку грунту цим же орним знаряддям, але обладнаним стальними полицями та польовими дошками, значина даного параметру (тобто тягового опору плуга) становила 23,9 ± 0,3 см.
Як бачимо із даних табл. 2, різниця між глибинами оранки становить 0,6 см. Найменша істотна різниця між цими порівнюваними параметрами НІР05 = 0,4 см. З цього випливає, що плуг з текроновими полицями і польовими дошками функціонував хай і не значно, але на більшій глибині оранки.
Для оцінювання частоти коливань глибини оранки порівнюваними плугами використовували нормовані кореляційні функції цих процесів. Їх аналіз показав (рис. 4.3), що довжина кореляційного зв’язку коливань глибини оранки порівнюваними плугами практично однакова і становить приблизно 0,9 м.
Рис. 4.3. Нормовані кореляційні функції коливань глибини оранки плугами зі стальними (СТ− ______ ) і текроновими (ТК——-) полицями
Водночас, процес коливань глибини оранки плугом зі стальними (СТ, рис. 4.3) полицями характеризується наявністю періодичної складової. А це вказує на те, що даний процес є більш високочастотним, ніж процес коливання глибини оранки плугом з текроновими (ТК, рис. 4.3) полицями.
Підтвердженням цього факту є нормовані спектральні щільності порівнюваних процесів (рис. 4.4).
Аналіз цих характеристик показує, що дисперсія коливань глибини оранки плугом зі стальними елементами (крива СТ) розподілена у більш широкому діапазоні частот, ніж дисперсія коливань цього ж параметру (крива ТК) для плуга з текроновими полицями і польовими дошками.
Рис. 4.4. Нормовані спектральні щільності процесів коливань глибини оранки плугами зі стальними (СТ – _____ ) і текроновими (ТК- – – -) полицями
Самі ж дисперсії обох процесів (1,80 см2 і 1,51 см2, табл. 2) згідно з F-критерієм Фішера репрезентують одну і ту ж генеральну сукупність. Тобто, нуль-гіпотеза про рівність порівнюваних дисперсій (тобто1,80 см2 і 1,51 см2) на рівні статистичної значущості 0,05 не відхиляється.
Агротехнічний допуск на коливання глибини оранки (∆) орним агрегатом становить ± 2 см. Частоту (ω) виходу реальної глибини оранки за даний допуск розраховують за формулою [3]:
де α, β – константи апроксимації нормованої спектральної щільності процесу коливань глибини оранки; D – дисперсія коливань глибини оранки.
Для плуга зі стальними полицями і польовими дошками маємо α = 2,05, β = 2,5 і D = 1.80 см2. У цьому випадку w=0.169 m-1, а імовірність дотримання орним агрегатом агротехнічного допуску ▲=±2 см становить 88%.
Для плуга з текроновими елементами корпуса плуга α = 0,47, β = 2,0 і D = 1.45 см2. З урахуванням цього маємо w=0.084 m-1. Імовірність дотримання плугом з текроновими елементами агротехнічного допуску на глибину оранки ▲=±2 см вища і дорівнює 93%.
Результати польових випробувань показали, що швидкість робочого руху орного агрегату з текроновими елементами плуга становила 8,1 км/год. У орного агрегату зі стальними елементами корпусів плуга цей показник був 7,2 км/год. Цілком зрозуміло, що така перевага у швидкісному режимі роботи МТА з текроновими полицями і польовими дошками орного знаряддя обумовлена його меншим, як це показано вище, тяговим опором.
У підсумку, за практично однакової ширини захвату порівнюваних орних агрегатів (1,76 м) основна (тобто чиста) продуктивність їх роботи була різною: у модернізованого МТА вона була більшою на 12,6% (1,43 га/год проти 1,27 га/год).
4.2. Визначення величини зносу текронової полиці плуга
У процесі польових випробувань дослідним орним агрегатом було здійснено оранку на площі 98 га. До початку оранки маса досліджуваної текронової полиці плуга становила 2205 г. Її зовнішній вигляд представлено на рис. 4.5а.
Рис. 4.5. Вигляд текронової полиці плуга до (а) і після (б) випробувань
Після завершення випробувань маса полиці становила 2188 г. Абразивний знос при цьому склав 11 г або 0,5%.
Зовнішній вигляд текронової полиці після польових випробувань представлений на рис. 4.5б. Його візуальний аналіз показує, що робоча поверхня полиці помережена мілкими слідами (рисками) впливу на неї твердих абразивних елементів грунту. Мережу цих рисок відтінює крейда, якаю була натерта поверхня полиці.
Агротехнічний строк виконання оранки становить приблизно 2-3 декади, тобто 20…30 днів. Цю технологічну операцію доцільно проводити у дві зміни. А це означає, що добове завантаження плуга може становити щонайменше 14 год. Звідси за максимальний агротехнічний строк оранки 30 днів орне знаряддя має експлуатуватися 30∙14 = 420 год. Це практично повністю відповідає нормативному річному завантаженню плуга, яке, як відомо, має становити 480 годин.
Багаторічна практика випробувань орних агрегатів на основі трактора тягового класу 3 (Т-150К, ХТЗ-170, ХТЗ-160) показує, що за 1 год змінного часу вони обробляють щонайменше 1 га ріллі. За річний норматив 420 год ця площа має становити 420 га.
Якщо при обробленні 98 га ріллі знос текронової полиці склав 11 г, то за річного об’єму оранки на рівні 420 сумарний знос її поверхні мав би становити
420га * 11г / 98га = 47г
Амортизаційний строк служби плуга становить приблизно 7 років. За цей час сумарний знос текронової полиці міг би дорівнювати 329 г або майже 15%. Багато це чи мало, можна встановити лише після порівняльного оцінювання зносу поверхні текронової полиці у порівнянні зі стальною. Причому бажано зробити це на обробленні супісчаних ґрунтів, оскільки їх абразивний вплив на полиці плуга значно вищий, ніж звичайних чорноземів.
Перед проведенням польових випробувань поверхня текронової полиці була відсканована у 3-D форматі (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Вигляд від сканованої поверхні текронової полиці
Наразі після завершення оранки здійснюється повторне сканування даного об’єкту.
Подальша задача досліджень полягає у пошуку шляхів графічного оцінювання ступеню зносу поверхні текронової полиці. Не меншу зацікавленість становить оцінювання стабільності форми полиці до і після польових випробувань. У першу чергу це стосується форми її крайки, позначеною стрілкою на рис. 4.6.
Найбільший інтерес викликає можливість визначення не тільки величини зносу поверхні текронової полиці, а і характер розподілу на ній зон цього абразивного процесу.
4.3 Експлуатаційно-технологічні показники роботи орного МТА
Експлуатаційно-технологічну оцінку роботи орного машинно-тракторного агрегату (МТА) у складі трактора ХТЗ-170 та плуга ПЛН-5-35 з текроновими елементами (рис. 4.7) проводили на полях ТОВ «Агрофірма Ольвія», розташованих у Якимівському районі Запорізької області (с. Давидівка). Умови проведення випробувань орного МТА представлені у таблиці 4.2.
Рис. 4.7. Дослідний орний МТА в роботі
Таблиця 4.2
Умови проведення експлуатаційно-технологічної оцінки орного МТА
| Показник | Значення |
| Тип грунту | Темно-каштановий |
| Рельєф | Рівний |
| Мікрорельєф | Вирівняний |
| Агротехнічний фон | Злущена стерня озимої пшениці |
| Вологість грунту в шарі 0…30 см, % | 21 … 23 |
| Щільність грунту в шарі 0…30 см, г/см3 | 1,20 … 1,23 |
Експлуатаційно-технологічною оцінкою роботи дослідного орного агрегату установлено, що основна (чиста) продуктивність його роботи становила 1,41 га за годину (таблиця 4.3).
Плуг, обладнаний текроновими елементами (полицями і польовими дошками), не створював особливих проблем під час його експлуатації. Про це однозначно свідчать досить високі значини коефіцієнтів використання часу зміни і надійності технологічного процесу. Перша із них в умовах випробувань дорівнювала 0,88, а друга – 0,99.
Питомі витрати пального дослідним орним агрегатом становили 15,2 кг/га або 17,6 л/га. Це повністю відповідаю нормативному показнику роботи такого МТА в умовах півдня України. Хоча багаторічна практика випробувань орних МТА на основі колісних тракторів тягового класу 3 показує, що у більшості випадків питомі витрати ними пального навіть на рівні 10,0 кг/га недосяжні.
Спеціальне оцінювання якості оранки дослідним агрегатом програмою не передбачалось, але візуальне оцінювання її не викликало будь-яких сумнів. У першу чергу із-за відсутності залипання текронових полиць плуга відносно вологим грунтом.
Таблиця 4.3
Експлуатаційно-технологічні показники орного машинно-тракторного агрегату
| Показник | Значення |
| Склад агрегату: трактор с/г машина/знаряддя | ХТЗ-170 Плуг ПЛН-5-35 |
| Вид роботи | Оранка |
| Умови і режим роботи: | |
| – робоча швидкість руху, км/год | 8,0 |
| – ширина захвату, м | 1,76 |
| – глибина обробітку грунту, см | 25,6 ± 0,8 |
| Обсяг виконаної роботи, га | 98 |
| Продуктивність роботи, га за 1 год: | |
| – основного часу | 1,41 |
| – змінного часу | 1,24 |
| Питомі витрати пального, кг/га | 15,2 |
| Затрати праці, люд. год/га | 0,81 |
| Експлуатаційно-технологічні показники: | |
| – коефіцієнт робочих ходів | 0,86 |
| – коефіцієнт надійності технологічного процесу | 0,99 |
| – коефіцієнт використання змінного часу | 0,88 |
ВИСНОВКИ
- У порівнянні зі сталлю коефіцієнт тертя грунту по такому композитному матеріалу як текрон практично у 2,6 рази менший. Це створює передумови використання цього матеріалу для виготовлення елементів корпусів сільськогосподарських плугів. Експериментально установлено, що застосування плуга з текроновими полицями і польовими дошками замість стальних унеможливлює залипання полиць вологим ґрунтом. За рахунок цього замість руху «грунт по грунту» має місце рух «грунт по поверхні полиці». Як установлено експериментальними дослідженнями, після заміни стальних полиць і польових дощок текроновими тяговий опір плуга зменшується на 13,6%.
- Продуктивність роботи орного агрегату з текроновими елементами плуга у порівнянні з МТА, плуг якого обладнаний стальними полицями і польовими дошками, зростає на 12,6%. Імовірність дотримання агротехнічного допуску на глибину оранки (± 2 см) орним агрегатом з текроновими елементами плуга збільшується з 88 до 93%.
- Після здійснення оранки на площі 98 га знос текронової полиці плуга становив 11 г, що становить 0,5% від її маси. За такої інтенсивності даного процесу і амортизаційному строкові служби плуга приблизно 7 років передбачуваний (прогнозний) сумарний знос текронової полиці може дорівнювати 329 г або майже 15%.
- За період оброблення 98 га ріллі основна (чиста) продуктивність роботи орного агрегату у складі трактора ХТЗ-170 і плуга ПЛН-5-35 становила 1,41 га/год. Змінна продуктивність його роботи становила при цьому 1,24 га/год. Питомі витрати пального орним агрегатом з плугом, обладнаним текроновими полицями у середньому становили 15,2 кг/га або 17,6 л/га. Коефіцієнт надійності роботи новим МТА дорівнював 0,99.
- Для подальшого аналізу потрібне порівняльне оцінювання зносу поверхонь текронової полиці і польової дошки у порівнянні зі стальними серійними аналогами. Причому бажано зробити це на обробленні супісчаних ґрунтів, оскільки їх абразивний вплив на полиці плуга значно вищий, ніж звичайних чорноземів.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
- Nadykto V., Kotov O. Sposib vuznachennya shchil’nosni gruntu: pat. UA 97828, G 01N 1/00 USA. Ukraine, 2015.
- Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки исследований). М. : Агропромиздат, 1985. 351 p.
- Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. Л.: Колос, 1970. 376 p.