Способ оценки воздействия на почву колес зерноуборочного комбайна в рабочих циклах заполнения бункера зерном Российский патент 2023 года по МПК A01D41/02 G01M17/07 G06Q50/02 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам оценки воздействия на почву зерноуборочных комбайнов.

При работе зерноуборочных комбайнов типичной является ситуация, когда в начале заполнения бункера в рабочем проходе комбайна давление ходовых органов на почву не превышает допустимых значений, установленных ГОСТ Р 58655-2019 (Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. М.: Стандартинформ. 2019. 6 с.), но, по мере заполнения бункера зерном, нагрузка на ходовые органы и их давление на почву достигают допустимого значения, а затем начинают его превышать. Уровень давления на почву колес зерноуборочных комбайнов имеет важное значение для непроизводительных затрат мощности комбайна, уровня затрат на послеуборочную глубокую обработку почвы и на накопление уплотнения в подпахотном слое почвы (Скорляков В.И., Ревенко В.Ю. Особенности воздействия на почву зерноуборочных комбайнов. Техника и оборудование для села. 2022. №1. С. 25-29).

В настоящее время из-за отсутствия метода определения длины прохода комбайна с давлением на почву, превышающим допустимое значение, не представляется возможной сравнительная оценка комбайнов по уровню воздействия на почву. Поэтому невозможен обоснованный выбор зерноуборочных комбайнов из ряда аналогов с наименьшим уплотнением площади поля сверхнормативным давлением. Также невозможно классифицировать технику по интервалам уровня воздействия ее колесных систем на почву.

Цель изобретения - получение оценок относительной длины прохода комбайна и относительной площади поля с воздействием на почву колес зерноуборочного комбайна сверх регламентированного допустимого предела.

Известен способ оценки силового воздействия на опорное основание колес передней и задней осей отдельных зарубежных комбайнов, полученных путем взвешивания как при пустом, так и при заполненном бункере (Гольтяпин В.Я. Анализ и оценка результатов испытаний зарубежных зерноуборочных комбайнов. Техника и оборудование для села. - 2014. - №6. - С. 37-44), а также с жаткой и без жатки (Протокол периодических испытаний комбайна зерноуборочного TORUM-780 №07-103-2016 (5060142) от 7.12.2016. Кубанская МИС). Наличие этих показателей позволяет получать информацию о нагрузках колес комбайна на почву как в начале, так и по окончании заполнения бункера зерном на длине прохода, зависящей от вместимости бункера, ширины жатки и урожайности зерна, т.е. в повторяющихся технологических циклах работы комбайна на поле.

Также известны оценки воздействия ходовых органов энергосредств относительно площади поля при выполнении технологических операций, определяемые через отношение ширины колес энергосредства к ширине захвата сагрегатированного адаптера (Слюсаренко В.В. Русинов А.В. Федюнина Т.В. Определение площади уплотнения сельскохозяйственных полей движителями машинно-тракторных агрегатов // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. №1 (43). DOI: https://doi.Org/10.18454/IRJ.2016.43.096). При этом, исходя из ширины следов комбайна и рабочей ширины жатки определяют общую относительную долю площади поля, подвергнутую давлению колес, по формуле:

S_o=2В_к/В_жр ⋅ 100%,

где: В_к - ширина наиболее нагруженного переднего колеса комбайна; В_жр - рабочая ширина жатки.

Исходя из рабочей ширины жатки, вместимости бункера комбайна и урожайности определяют общую длину прохода комбайна на поле в рабочем цикле заполнения бункера зерном L_пр по известной формуле:

где Q - вместимость бункера, м³; j - объемная масса зерна, кг/м³; У - урожайность зерна на поле, кг/м²; В_ж - рабочая ширина захвата жатки, м.

По результатам взвешивания комбайна (при размещении колес на платформенных весах) и последующего определения площади пятна контакта применяемых шин, определяют среднее и максимальное давление колес на почву по известным методам (ГОСТ Р 58656-2019 Техника сельскохозяйственная мобильная. Методы определения воздействия движителей на почву. М.: Стандартинформ. 2019. 20 с.). Исходя из того, что значение каждого следующего показателя зависит от значения предыдущего показателя, для колес мобильных сельскохозяйственных машин указанные показатели определяют в следующей последовательности:

- нагрузка на колесо;

- площадь пятна контакта шины;

- среднее давление на почву;

- максимальное давление на почву (в вертикальной плоскости по оси колеса).

Недостатком данного способа является невозможность оперативного определения значений максимального давления колеса в промежуточных точках длины прохода комбайна при наборе зерна в бункер и невозможность определения точки длины прохода, с которой максимальное давление на почву от добавления зерна, поступающего в бункер, превышает допустимое по ГОСТ Р 58655 максимальное давление колес. Как следствие - сложности с расчетом относительной площади следов на поле с давлением выше допустимого предела и с достоверностью сравнительной экологической оценки комбайнов с разными весовыми и конструкционными параметрами (ширина жатки, вместимость бункера, ширина колес), а также с невозможностью обоснованного выбора комбайна для почвенных условий конкретных хозяйств (с приемлемым для условий хозяйства воздействием на почву).

Предлагаемый способ

При отсутствии зерна в бункере, а также при заполненном бункере определяют максимальное давление на почву под колесами комбайна с применением платформенных весов. Очевидно, что максимальное давление, полученное исходя из развесовок, при пустом бункере (q_{k пустого}) соответствует началу маршрута движения комбайна и началу заполнения бункера комбайна. Максимальное давление при заполненном бункере (q_{k заполен}) соответствуют окончанию длины прохода комбайна. При этом длину прохода комбайна по полю для заполнения бункера зерном определяют по формуле (1).

Таким образом, имеется две пары значений длины прохода комбайна и соответствующие значения максимального давления на почву, имеющие координаты начала (X₁=0, У₁=q_{k пустого}) и окончания (Х₂=L_пр, У₂=q_{k заполен}). Прямая линия, проведенная через данные точки, характеризуется уравнением зависимости максимального давления q_k от длины прохода L, т.е. q_k=f(L) и при наличии численных значений максимального давления на почву и длины прохода при заполнении бункера будет выражено многочленом первой степени из известной формулы (где X соответствует значениям длины прохода, а У - значениям максимального давления на почву):

Применительно к решаемой задаче исходной точке начала движения комбайна соответствует абсцисса (X=X₁=0), а конечной точке завершения движения (при завершении заполнения бункера зерном) - абсцисса (Х=Х₂). Значения ординат точек 1 и 2 соответствует наибольшему давлению колеса на почву в начале движения комбайна (У₁) и в точке завершения движения (У₂).

При поступлении зерна в бункер в процессе работы комбайна каждому значению длины маршрута соответствует определенное значение максимального давления колеса на почву. Поэтому, задаваясь значением допустимого для почвы максимального давления |q_k|, регламентированного ГОСТ Р 58655 и решая приведенное выше уравнение относительно L, получим значение длины прохода |L_пр|, после которого максимальное давление колеса на почву будет превышать допустимое стандартом значение.

Нахождение данной точки позволяет отделить отрезок длины прохода комбайна с допустимым давлением на почву от отрезка длины прохода со сверхнормативным давлением и оценить переуплотняемую площадь поля сверх допустимого значения, что обеспечивается при выполнении следующих последовательных действий:

1. Выполняют развесовку комбайна с жаткой с пустым и с заполненным бункером.

2. На маршруте движения комбайна по полю при уборке фиксируют точки начала и окончания заполнения бункера и определяют длину прохода в рабочем цикле заполнения бункера зерном.

3. По данным развесовок с пустым и с заполненным бункером, исходя из нагрузок на колеса, по известной методике определяют среднее и максимальное давление передних (наиболее нагруженных) колес на почву, в соответствии с ГОСТ Р 58656-2019 Техника сельскохозяйственная мобильная. Методы определения воздействия движителей на почву.

4. По двум точкам с известными значениями максимального давления колеса на почву (L=0; q_k=q_{k пустого} и L=L_пр; q_k=q_{k полного}) проводят прямую, уравнение которой получают из выражения:

Уравнение имеет вид:

где k - коэффициент, характеризующий тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс; q_{k пустого} - максимальное давление на почву переднего колеса комбайна с незаполненным бункером.

5. Исходя из типичной для данной территории в календарный период уборки полевой влагоемкости почвы, находят допустимое действующим стандартом (ГОСТ Р 58655-2019) максимальное давление на почву |q_k|. Затем, из уравнения (2) выражают длину прохода |L_пр|, сверх которой уровень воздействия на почву превысит допустимое значение |q_k|:

где q_k - максимальное давление колеса на почву; |q_k| - допустимый по ГОСТ Р 58655-2019 уровень максимальное давление на почву, при определенной влажности почвы в слое 0-30 см.

6. Подставляя значение допустимого давления |q_k| в формулу (3), получают значение длины прохода, начиная с которой и до завершения заполнения бункера комбайн давит на почву сверх допустимого ГОСТ значения. При этом длина прохода комбайна с превышением допустимого давления на почву в рабочем цикле заполнения бункера зерном соответствует разности общей длины прохода комбайна (см. формулу 1) и длины прохода |L_пр|, определяемой по формуле (3), т.е. L_пр - |L_пр|.

Для визуализации действий по п. 4 - п. 7 на оси ординат графика откладывают значение допустимого давления |q_k| и проводят прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с прямой, выражающей зависимость q_k=f(L), т.е. q_k=k⋅L_пр+q_{k пустого}. Проекция данной точки на ось абсцисс соответствует значению длины прохода комбайна, после которого его колеса, под действием поступающего в бункер зерна, начинают давить на почву сверх допустимого значения (фиг. 1).

7. Определяют долю площади поля S_y, уплотняемую комбайном в рабочем цикле заполнения бункера выше допустимого предела:

где В_к - ширина колеса, В_ж - рабочая ширина жатки, L_пр - общая длина прохода в рабочем цикле заполнения бункера, определяемая по формуле (1), |L_пр| - длина прохода с допустимым уровнем давления на почву.

Доля площади поля, уплотняемая комбайном ниже допустимого предела:

Таким образом, применение изложенного способа обеспечивает получение оценок относительной длины прохода комбайна и относительной площади поля с воздействием на почву колес зерноуборочного комбайна как ниже, так и выше регламентированного допустимого предела.

Пример практического применения предложенного способа

Пример практического применения предлагаемого способа оценки выполнен для отечественного зерноуборочного комбайна Акрос 550 (ОАО «Ростсельмаш») с жаткой PowerStream 700 на уборке озимой пшеницы (таблица 1).

1. Определяют длину прохода, необходимую для заполнения бункера зерном в рабочем цикле:

L_пр=Q⋅j/В_ж⋅У=9⋅800⋅0,6/6,79=636,2 м,

где Q - вместимость бункера, (9 м³); J - объемная масса зерна, (800 кг/м³); У - урожайность зерна на поле (0,6 кг/м²); В_ж - рабочая ширина захвата жатки (В_ж=0,97⋅7=6,79 м).

2. Для комбайна Акрос 550 с незаполненным бункером определяют среднее и максимальное давление передних, наиболее нагруженных колес на почву.

Величина среднего давления на почву под колесом передней оси составит: ,

где R_п - масса, создающая статическую нагрузку на почву колесом передней оси (R_л=5870 кг); g=9.8 м/с²; F_к - площадь пятна контакта шины с почвой для колеса передней оси 900/65R32 в соответствии с ГОСТ 58656-2019: F_к=S⋅1,1=0,435⋅1,1=0,490 м², где S - контурная площадь пятна контакта на жестком основании (см. таблицу 1).

Тогда величина среднего давления на почву переднего колеса:

Соответствующая величина максимального давления указанного движителя на почву составит: q_k=119,8⋅1.5=179,7 кПа.

Показатели среднего и максимального давления на почву переднего колеса зерноуборочного комбайна составят соответственно a q_k=168,5 кПа.

3. Определяют среднее и максимальное давление на почву переднего колеса комбайна Акрос 550 с полным бункером.

Величина среднего давления на почву колесом передней оси составит:

где R_п - масса, создающая статическую нагрузку на почву колесом передней оси (R_л=8320 кг); g=9.8 м/с²; F_кп - площадь пятна контакта шины с почвой, для колеса передней оси 900/65R32 в соответствии с ГОСТ 58656-2019:F_кп=S⋅1,1=0,510⋅1,1=0,561 м².

Соответствующая величина максимального давления движителя на почву составит q_k=145,3⋅1.5=218,0 кПа.

Показатели среднего и максимального давления на почву переднего колеса комбайна с полным бункером составят соответственно a q_k=218,0 кПа.

Таким образом, от начала до завершения цикла заполнения бункера комбайна Акрос 550 зерном озимой пшеницы максимальное давление колеса передней оси изменится со 179,7 до 218,0 кПа.

Определяют уравнение прямой, проходящей через две точки из выражения, приведенного в п. 4, имея в виду, что X₁=L=0, Х₂=L_пр=636,2 м, У₁=179,7 кПа, У₂=218,0 кПа.

После подстановки значений получают:

После преобразований получают уравнение У=0,0602 X+179,7.

4. В качестве альтернативного варианта нахождения длины прохода с допустимым давлением (а также для визуализации решения задачи) строят график изменения величины максимального давления на почву колеса переднего моста зерноуборочной машины от длины прохода в рабочем цикле заполнения бункера: q_k=f (L_пр), где q_k - максимальное давление колеса на почву; L_пр - расстояние прохода комбайна в процессе заполнения бункера.

В результате получают уравнение прямой, аналогичное формуле 2: q_k=k⋅L_пр+q_{k пустого}, где k - коэффициент, характеризующий тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс (k=0,0602); максимальное давление на почву переднего колеса комбайна с незаполненным бункером q_{k пустого}=179,7 кПа (при L=0).

5. Исходя из типичной для данной территории в период уборки полевой влагоемкости почвы (0,5 НВ и менее) находят допустимое действующим стандартом (ГОСТ Р 58655-2019 Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. М.: Стандартинформ. 2019. 6 с.) максимальное давление на почву |q_k|=210 кПа. Затем из уравнения (1) выражают длину прохода |L_пр|, сверх которой уровень воздействия на почву начнет превышать допустимое значение |q_k|:|L_пр|=(q_k-|q_k|)/k=503,3 м.

Таким образом, в технологическом цикле комбайн пройдет 503,3 м, после которых уровень максимального давления его переднего колеса на почву превысит допустимое значение |q_k|=210 кПа.

6. Для визуализации действий по п. 5 на оси ординат графика откладывают значение допустимого давления и проводят прямую параллельную оси абсцисс до пересечения с прямой q_k=k⋅L_пр+q_{k пустого}. Проекция данной точки на ось абсцисс соответствует значению длины прохода комбайна, при которой его колеса под действием поступающего в бункер зерна начинают давить на почву сверх допустимого значения.

7. Определяют удельное значение длины прохода с допустимым давлением на почву в общей длине прохода в рабочем цикле заполнения бункера: L_уд=|L_пр|/L_пр⋅100%.

Для переднего колеса L_yд=503,3/636,2⋅100%=79,1%. Тогда доля площади поля, уплотняемая комбайном одним колесом до допустимого предела составит: |S_уд|=В_к/В_ж⋅|L_пр|/L_пр⋅100%=0,92/6,79⋅503,3/636,2⋅100%=10,7%

Доля площади поля, уплотняемая комбайном сверх допустимого предела S_уд=0,92/6,79⋅132,9/636,2⋅100%=2,8%.

В результате получают, что общая доля площади поля, уплотняемая обеими, наиболее нагруженными колесами передней оси комбайна Акрос 550 (с шинами 900/65R32) до допустимого предела составит |S_уд|=10,7⋅2=21,4%. Доля общей площади поля, уплотняемая тем же комбайном сверх допустимого предела S_уд=2,8⋅2=5,6%.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ оценки воздействия на почву колес зерноуборочного комбайна в рабочих циклах заполнения бункера зерном включает определение силового воздействия колес на почву от веса комбайна при пустом и при заполненном зерном бункерах с последующим определением площади пятна контакта применяемых шин, среднего и максимального давлений q_max1 и q_max2 колес на почву, соответственно в начале и по окончании рабочего цикла заполнения бункера; определение длины прохода по полю в рабочем цикле заполнения бункера зерном в зависимости от параметров применяемого комбайна и условий убираемого поля; определяют зависимость максимального давления от длины прохода q_max=f(L_пр) на основе значений максимального давления колес на почву при пустом и при заполненном зерном бункерах; решают уравнение относительно длины прохода L_пр с подстановкой значения регламентированного допустимого давления на почву q_k с последующим нахождением части длины прохода и относительной площади следов с превышением допустимого давления в рабочем цикле комбайна. Обеспечивается получение оценок относительной длины прохода комбайна и относительной площади поля с воздействием на почву колес зерноуборочного комбайна сверх регламентированного допустимого предела. 1 ил., 3 табл.

Способ оценки воздействия на почву колес зерноуборочного комбайна в рабочих циклах заполнения бункера зерном, включающий определение силового воздействия колес на почву от веса комбайна при пустом и при заполненном зерном бункерах с последующим определением площади пятна контакта применяемых шин, среднего и максимального давлений q_max1 и q_max2 колес на почву, соответственно в начале и по окончании рабочего цикла заполнения бункера, а также определение длины прохода по полю в рабочем цикле заполнения бункера зерном в зависимости от параметров применяемого комбайна и условий убираемого поля, отличающийся тем, что на основе значений максимального давления колес на почву при пустом и при заполненном зерном бункерах определяют зависимость максимального давления от длины прохода q_max=f(L_пр), затем решают уравнение относительно длины прохода L_пр с подстановкой значения регламентированного допустимого давления на почву q_k с последующим нахождением части длины прохода и относительной площади следов с превышением допустимого давления в рабочем цикле комбайна.