1.5. Експлуатаційні властивості сільськогосподарських машин

1. Агротехнічні вимоги до сільськогосподарських машин

Різноманітність технологічних операцій з вирощування сільськогосподарських культур потребує великої кількості різних сільськогосподарських машин. Але експлуатаційні властивості машин мають задовольняти визначеним вимогам.

До агротехнічних показників відносять: якість роботи згідно з агротехнічними вимогами, агротехнічну допустиму швидкість руху, запас робочого ходу за технологічною ємністю, діапазон технологічного регулювання.

Основними технічними показниками є: тяговий опір, потужність урухомника робочих органів, коефіцієнт корисної дії (ККД), ширина захвату в робочому та транспортному положеннях, пропускна здатність, вага, коефіцієнт технічної та експлуатаційної надійності.

До економічних показників відносять: продуктивність, вартість однієї години роботи, затрати праці.

Знання експлуатаційних властивостей сільськогосподарських машин полегшує їх підбір і комплектування агрегатів з урахуванням усіх вимог до машинно-тракторних агрегатів, впливає на ефективність їх використання та виявлення і реалізацію резервів підвищення продуктивності.

2. Поняття про питомий опір машин-знарядь. Холостий і робочий опір машин

Щоб запобігти великій кількості довідкових дослідних даних про тягові опори однорідних машин різних марок, введено поняття питомого тягового опору машин.

Питомий опір – це тяговий опір, який припадає на одиницю захвату машини (за звичай на 1 м захвату).

Для всіх сільськогосподарських машин (крім плугів) питомий опір визначають за формулою:

$$ K_{м} = \frac{R_{агр}}{b_{м}},\: кН/м, $$

де \(b_{м}\) – конструктивна ширина захвату машини, м.

Питомий опір плугів обчислюють за формулою:

$$ K_{пл} = \frac{R_{агр}}{a \cdot b \cdot n_{к}}, кН/м^2, $$

де \(a\) – глибина оранки, м;
\(b\) – ширина захвату корпусу плуга, м;
\(n_{к}\) – кількість корпусів.

Для машин, у яких робочі органи урухомлюють від вала відбору потужності, питомий опір визначають:

$$ K_{м} = \frac{N_{пр}}{V_{р}\cdot b_{к}},\: кН/м. $$

У довідниках (в основному) дані питомі тягові опори різних машин на горизонтальних ділянках у різних умовах для швидкості руху 5 км/год.

Холостий і робочий опір машин

Поступальний рух агрегату можливий, якщо трактор долає всі опори, що виникли під час переміщення і роботи машин. Розрізняють робочий і холостий опір машини.

Робочий опір виникає під час виконання машиною технологічних процесів (на робочому ходу) і має два види опору:

• зумовлений використанням енергії, що передається від ВВП трактора;
• від переміщення машин полем, або тяговий.

Тяговий опір причіпних машин визначають дослідним шляхом за допомогою динамометра, динамографа або тягового роботоміра; начіпних машин – за допомогою спеціальних ротаційних роботомірів, або роботомірів двигуна трактора (непрямий метод).

Холостий опір машини виникає в разі холостих заїздів, поворотів і переїздів, залежить від ваги машини.

Його визначають за формулою:

$$ R_{х}={G_{м} \cdot f},\: кН, $$

де \(G_{м}\) – експлуатаційна вага машини, кН;
\(f\) – коефіцієнт опору кочення.

3. Характер зміни опору за різних умов роботи агрегату

У процесі експлуатації тяговий опір машин не лишається постійним, а безперервно змінюється внаслідок зміни фізико-механічних властивостей ґрунту, рослинної маси, нерівностей поверхні поля, на якому рухається агрегат.

Розмах коливань опору залежить від характеру технологічного процесу, стану матеріалу, який оброблюють, швидкості руху, а також від кількості машин в агрегаті.

Коливання опору впливає на ефективність роботи і його потрібно враховувати під час комплектування агрегату.

Несталість його зумовлюють багато факторів, зокрема і швидкість руху агрегату. З її збільшенням, як правило, підвищується опір деформації поверхні, що обробляється, і опір, що затрачається на надання матеріалу кінетичної енергії. У багатьох випадках підвищення швидкості машини спричинює деякий приріст опору перекочуванню.

За однієї і тієї самої глибини обробітку можна вважати, що приріст опору у відсотках до опору за \(v_о = 5\) км/год на кожний кілометр збільшення швидкості становить: плугів під час оранки легких ґрунтів – у межах близько 1…2 %, середніх – 3…5 %, важких – 6…8 %, сівалок – 1,5…2,5 %, культиваторів, борін, котків і лущильників – 3…4 %.

Ступінь нерівномірності тягового опору визначають за формулою:

$$ \delta_{R}= \frac{R_{max}-R_{min}}{R_{ср}}, $$

де \(R_{max},\: R_{min}\) – найбільший і найменший опори машини в цих умовах;
\(R_{ср}\) – середній для цих умов опір машини.

Ступінь нерівномірності тягового опору \(\delta_{R}\) для плугів знаходиться в межах 0,20…0,60; лапових культиваторів – 0,20…0,50; борін – 0,06…0,20; дискових сівалок – 0,06…0,30; самохідних комбайнів – 0,06…0,35.

Коефіцієнт можливого зростання опору визначають як відношення середнього значення максимального опору до середнього опору:

$$ k_{R}= \frac{R_{max}}{R_{ср}}. $$

Що більше значення ступеня нерівномірності і коефіцієнта можливого зростання опору, то більший має бути запас крутного моменту двигуна під час комплектування агрегату, щоб подолати зростання опору, яке виникає.

Під час роботи машин відбувається більш або менш інтенсивне зношення їх робочих деталей (лемешів, лап, дисків, сегментів, протирізальних пластин). Різальні поверхні затупляються, що не тільки порушує технологічний процес, а й призводить до значного зростання опору і енергозатрат.

4. Вплив швидкості руху на опір сільськогосподарських машин

На питомий тяговий опір істотно впливає швидкість руху агрегату. Наприклад, питомий опір плуга прямо пропорційний квадрату швидкості і його визначають за формулою:

$$ K_{V}={K_{0} \cdot [1+0,006(V_{р}^2-V_{0}^2)]},\: кН/м^2, $$

де \(K_{0}\) – питомий опір плуга під час оранки на швидкості 5 км/год, кН/м²;
\(V_{р}\) – швидкість, за якої визначають питомий опір (робоча), км/год;
\(V_{0}\) = 5 км/год.

Для інших технологічних операцій ця формула така:

$$ K_{V}={K_{0} \cdot [1+П \cdot (V_{р}-V_{0})]},\: кН/м, $$

де \(K_{0}\) – питомий опір машини, кН/м;
\(П\) – коефіцієнт, що характеризує темп приросту опору на 1 км підвищення робочої швидкості від початкового значення за \(V_{0} = 5\) км/год.

Отже, зі зростанням швидкості опір сільськогосподарських машин зростає.

5. Визначення опору для тягових, тягово-урухомлювальних та самохідних агрегатів

Під час складання машинно-тракторних агрегатів найбільше значення має робочий опір машини. Під час виконання операції (на горизонтальній місцевості за сталого режиму роботи) тяговий опір машини залежить від ширини її захвату і питомого опору:

$$ R_{м}={K_{V} \cdot b_{м}},\: кН, $$

де \(K_{V}\) – питомий опір, кН/м;
\(b_{м}\) – конструктивна ширина захвату машини, м.

Для визначення тягового опору плугів використовують формулу:

$$ R_{пл}=K_{Vпл} \cdot a \cdot b_{к} \cdot n_{к} \pm \frac{G_{пл} \cdot {i}}{100}, $$

де \(K_{Vпл}\) – питомий опір плуга, кН/м²;
\(a\) – глибина оранки, м;
\(b_{к}\) – ширина захвату корпусу плуга, м;
\(n_{к}\) – кількість корпусів;
\(G_{пл}\) – експлуатаційна вага плуга, кН;
\(i\) – величина підйому, %.

За усталеного руху агрегату на місцевості з нахилом ± і (%) тяговий опір робочої машини визначають:

$$ R_{м}=K_{Vм} \cdot b_{м} \pm \frac{G_{м} \cdot i}{100},\: кН, $$

де \(G_{м}\) – експлуатаційна вага машини, кН.

Під час руху причіпного агрегату без виконання технологічних операцій, наприклад переїздів з однієї ділянки на іншу або на поворотах, тяговий опір складається тільки з опору кочення ходових коліс машини по ґрунту. У такому разі:

$$ R_{м.х.}=G_{м} \cdot \left(f_{м} +\frac{i}{100}\right),\: кН, $$

де \(f_{м}\) – коефіцієнт опору кочення ходових коліс машини.

Якщо машина начіпна, то в транспортному положенні її вага повністю передається на ходові колеса трактора, тому:

$$ R_{м.х.}^{н}=G_{м} \cdot \left(f +\frac{i}{100}\right),\: кН, $$

де \(f\) – коефіцієнт опору кочення ходових коліс або гусениць трактора.

Для зчіпок робочий тяговий опір визначають:

$$ R_{зч}=G_{зч} \cdot \left(f_{зч} +\frac{i}{100}\right), кН, $$

де \(f_{зч}\) – коефіцієнт опору кочення ходових коліс зчіпки;
\(G_{зч}\) – експлуатаційна вага зчіпки, кН.

Для багатоопераційних агрегатів:

$$ R_{а}=(K_{Vм1}+K_{Vм2}) \cdot n_{м1}\cdot b_{м1} +(G_{м1} \cdot n_{м1}+G_{м2} \cdot n_{м2}) \cdot \frac{i}{100}+R_{зч},\: кН, $$

де \(K_{Vм1}\) – питомий опір основної машини (наприклад культиватора) з урахуванням швидкості руху, кН/м;
\(K_{Vм2}\) – питомий опір додаткової машини (наприклад борони) з урахуванням швидкості руху, кН/м;
\(n_{м1}\) – кількість основних машин в агрегаті;
\(n_{м2}\) – кількість додаткових машин в агрегаті;
\(G_{м1}\) – експлуатаційна вага основної машини, кН;
\(G_{м2}\) – експлуатаційна вага додаткової машини, кН.

Під час робочого ходу тягово-урухомлювального агрегату виникає додатковий опір від вала відбору потужності:

$$ P_{д}=\frac{3,6 \cdot N_{пр}\cdot \eta_{тр}}{V_{р}\cdot \eta_{ВВП}},\: кН, $$

де \(N_{пр}\) – потужність для урухомлення механізмів машини, кВт;
\(V_{р}\) – робоча швидкість, км/год;
\(\eta_{ВВП}\) – коефіцієнт корисної дії вала відбору потужності, \(\eta_{ВВП} = 0,91...0,96\);
\(\eta_{тр}\) – коефіцієнт корисної дії трансмісії трактора.

Шляхи зниження тягових опорів

Основні способи зменшення опору машин можна поділити на конструктивні, технологічні, експлуатаційні, організаційні.

Конструктивні – через застосування начіпних (без ходової частини) машин і машин, обладнаних пневматичними шинами низького тиску; використання еластичної підвіски; поліпшення якості робочих органів (спеціальні покриття поверхонь, відповідна обробка, зміна форми тощо); заміна тертя ковзання тертям кочення; зменшення ваги машини тощо.

Технологічні – удосконалення робочих деталей і органів відповідно до вимог раціоналізації технологічного процесу; застосування комбайнових агрегатів; суміщення процесів тощо.

Експлуатаційні – ретельне і своєчасне ТО машин; правильне складання і регулювання механізмів; підтримання в загостреному стані лез і різальних кромок; правильне причіплювання чи начіплювання машин; вибір найбільш раціонального напряму руху; підбір машин відповідно до умов роботи; робота (у міру можливості) за оптимального стану ґрунту та інших деформуючих середовищ тощо.

Організаційно-господарські (назва умовна) – поліпшення ґрунтових умов, вирівнювання полів, ліквідація кущів, збирання каміння, поліпшення структури ґрунту та ін.

Питання для самоконтролю

1. Що відносять до головних показників експлуатаційних властивостей сільськогосподарських машин?
2. Що собою являє питомий опір машин?
3. Які існують опори сільськогосподарських машин?
4. Як змінюється тяговий опір машин із збільшенням швидкості руху?
5. Як розрахувати тяговий опір для одноопераційних, багатоопераційних, орних та тягово-урухомлювальних агрегатів?
6. Назвіть основні шляхи зменшення тягових робочих опорів машин-знарядь.