Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы получения сельскохозяйственной продукции с минимальными затратами в нужном объеме и с необходимым качеством не теряют своей актуальности с начала возникновения сельскохозяйственного производства. Одной из главных задач сельского хозяйства РФ сегодня и на ближайшую перспективу является переход на современные экономически эффективные технологии, требующие нового подхода к земледелию с применением современных научных разработок и нового поколения сельскохозяйственной техники.
В настоящее время в РФ производится 4...7 центнеров зерна на одного человека в год. Для полного удовлетворения жителей России в продуктах питания необходимо производить примерно 10 центнеров зерна на человека, т.е. получать в среднем 17 центнеров зерна с гектара пашни. Анализ научных исследований показал, что при возделывании зерновых культур до 40% ресурсного потенциала расходуется на технологический процесс обработки почвы, а доля механической обработки почвы, например, в урожае пшеницы, составляет в среднем 14 %. Для условий Урала и Сибири эта доля приближается к 20 %. Известно, что свыше 50 % механизированных работ выполняется с отклонениями от агротехнических требований. Особенно это касается основной и дополнительной обработок почвы, в процессе проведения которых данные отклонения достигают 200 %.
В контексте вышесказанного обработку почвы следует проводить так, чтобы получить нужное качество обработки, сократить расход энергии, увеличить выработку машин. Оптимальное качество крошения почвы, требуемый оборот пласта и т.д. возможно предусмотреть заранее, заставляя пласт почвы двигаться по заданной траектории на лемешно-отвальной поверхности отвального плуга или на лемехе безотвального орудия.
В этой связи является актуальным проведение углубленных научных исследований процесса взаимодействия рабочих органов с почвой с целью модернизации и проектирования таких рабочих органов почвообрабатывающих орудий, которые позволяют получить заданные агротехнические показатели обработки почвы с минимальными затратами.
Связь с научными программами. Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие, посевные машины и земледелие» ФГБОУ ВПО ЧГАА. Исследования, составившие основу диссертационной работы, выполнены в период с 1984-го по 2011-й г. по тематическим планам научно-исследовательских работ и в соответствии с разделом Федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2011-2015 гг., одобренной Президиумом Россель-хозакадемии 18 октября 2010 г., Межведомственным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2010 г. и тематическими планами НИР ЧГАА на 1993-2015 гг. и на основании договоров о творческом сотрудничестве между ГСКБ ПО «Сибсельмаш», НПО «Семеновод», ПО КамТЗ, Литовской МИС, ГНУ ЮУНИИПОК РАСХН, ООО «ВарнаАгромаш», предприятиями АПК РФ.
Цель исследования. Создание высокоэффективных, конкурентоспособных почвообрабатывающих машин на основе модернизации и универсализации рабочих органов.
Объект исследования. Технологический процесс обработки почвы, осуществляемый рабочими органами почвообрабатывающих машин.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия рабочих органов с почвой.
Методика исследований. Предложенные рабочие органы почвообрабатывающих машин исследовались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и разработанными частными методиками. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов классической механики и математического моделирования. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных установках и в производственных условиях. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований являлась удовлетворительной (погрешность - в пределах 5... 10%). Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с использованием пакета программ MathCAD.
Научная новизна состоит в том, что:
-
Впервые получена зависимость для определения толщины пласта на клине, позволяющая установить связи между агротехническими показателями и параметрами клина. Адекватность данных зависимостей реальным процессам подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями движения клина в различных по физико-механическим свойствам средах.
-
Впервые получено объяснение причины разрывов в почве, поступающей на клин, вспушенности и рыхлости почвы после прохода клина, что позволяет получать заданные агротехнические показатели обработки почвы.
-
Впервые определены составляющие скорости движения почвы по осям декартовых координат, что значительно облегчает процесс модернизации и проектирования почвообрабатывающих рабочих органов.
-
Экспериментально установлено, что при исследовании взаимодействия клина с почвой необходимо самостоятельно изучать три процесса:
а) разрушение почвы под действием клина;
б) формирование пласта при вступлении на клин;
в) движение пласта почвы по клину.
Указанные процессы рассматривались ранее в совокупности как один процесс, что осложняло создание почвообрабатывающих рабочих органов, отвечающих агротехническим требованиям;
-
Теоретически определена и экспериментально подтверждена функциональная зависимость траектории движения почвы по трехгранному клину, что позволяет в процессе работы модернизированных почвообрабатывающих рабочих органов получать заданные агротехнические показатели.
-
Впервые введено понятие угла резания почвы трехгранным клином, являющегося универсальной силовой и технологической характеристикой работы клина, который ранее не использовался при проектировании и модернизации рабочих органов почвообрабатывающих машин, позволяющих более точно выполнять заданные агро-требования.
-
Разработан новый способ сравнения двух лемешно-отваль-ных поверхностей с целью определения возможности работы одной вместо другой.
Новизна технических решений, разработанных способов и методов обработки почвы, замера агротехнических показателей и т.д. подтверждена 23 авторскими свидетельствами и патентами на изобретение в РФ.
Практическая ценность. Результаты исследований послужили основой для совершенствования существующих и создания новых способов обработки почвы и почвообрабатывающих машин для их осуществления.
Предложены, защищены авторскими свидетельствами и прошли производственную проверку конструкции рабочих органов безотвальных орудий, созданных на основе теоретического анализа процесса движения почвы по плоским поверхностям. Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность предложенных рабочих органов.
Разработанные рабочие органы безотвальных орудий с переменным углом резания, с фигурным башмаком, с выпуклой рабочей поверхностью лемеха и т.д. улучшают крошение почвенного пласта на 20... 50 %, сохранность стерни - на 15... 30 %, уменьшают ширину развальной борозды на 10... 21 % при незначительном увеличении тягового сопротивления (в пределах ошибки опыта).
Впервые предложена методика построения фронтальной проекции лемешно-отвальной поверхности (ЛОП) в программном продукте MathCAD.
Разработана методика оптимизации поворота и перемещений ЛОП при работе на различных скоростях с использованием метода Хука-Дживса. Получены оптимальные углы поворота и перемещения, при которых отклонение сравниваемой ЛОП и базовой минимально для рассмотренных поверхностей ПЛЖ-21, ПЛЕ-21 и ПЛЖ-71. Оптимальные углы поворота во всех случаях не превышают 7, что требует от соответствующих механизмов управления положением ЛОП в пространстве обеспечения точности позиционирования не ниже 0,5... 1. Результаты экспериментальных исследований показали удовлетворительную сходимость по агротехническим показателям работы рабочих органов плугов сравниваемой ЛОП и базовой.
Реализация научно-технических результатов. Ряд теоретических положений, технических решений, способов и методов определения различных показателей были переданы ГНУ ЮУНИИПОК
(a.c. № 10680556, 1158060, 1165247, 1722264, 1641208, 161528, патенты РФ № 2236771, 2409926), ООО «ВарнаАгромаш» (2011 г), Всесоюзному научно-исследовательскому институту зернового хозяйства (1984 г.).
Отдельные технические решения были рассмотрены на НТС МСХ РФ (1984 г.) и рекомендованы к внедрению в хозяйствах РФ.
Некоторые технические решения, способы и методы обработки почвы, оценки агротехнических показателей и т.д. были использованы при разработке рекомендаций парламентских слушаний и «круглых столов», проведенных Комитетом по аграрной политике ГД ФС РФ, в том числе на следующие темы:
«Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения для агропромышленного комплекса России» (в части увеличения количества выпускаемых машин, в том числе почвообрабатывающих орудий, для эффективного развития сельского хозяйства) от 21.11.2008 г.;
«О развитии сельского хозяйства в условиях кризиса, регулировании рынков сельскохозяйственной продукции и обеспечения продовольственной безопасности» (в части модернизации рабочих органов сельскохозяйственных машин и их использования на «родственных» технологических операциях) от 16.04.2009 г.;
«О ходе реализации Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» (в части создания усовершенствованных отечественных сельскохозяйственных машин) от 01.06.2010 г.;
«Продовольственная безопасность России: актуальность и перспективы» (в части повышения урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от качества обработки почвы) от 02.12.2009 г.
В свою очередь эти рекомендации были использованы при доработке Доктрины продовольственной безопасности РФ (утверждена Указом Президента РФ от 30 января 2010 года № 120), Концепции устойчивого развития сельских территорий до 2020 года (утверждена распоряжением Правительства РФ от 30 ноября 2010 г. №2136-р).
Материалы исследований по теме диссертационной работы были реализованы в ООО «ВарнаАгромаш» при разработке и производстве следующих орудий: КБМ-7,2 и КБМ-10,0 в количестве 60 шт. и КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДН-7,2 - 15 шт.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой.
-
Математические модели движения почвы по рабочим органам, оптимальные и рациональные конструктивные параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин.
-
Модернизация рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе анализа математических моделей.
-
Оптимизация перемещений одной и той же ЛОП плуга для работы на различных скоростях движения агрегата.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на НТС МСХ РФ (1984 г.), на парламентских слушаниях и «круглых столах», при обсуждении итоговых документов ГД ФС РФ (2000-2011 гг.), на НТС ВНИИЗХ (пос. Шортанды, 1985 г.), ГНУ ЮУНИИПОК (1992-1996 гг.), на научно-технических конференциях Казанского СХИ (1986-1988 гг.), Саратовского СХИ (1984 г.), на международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству» Челябинской ГАА (ЧИМЭСХ/ЧГАУ) (1983-2011 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 56 научных работ, в том числе 17 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 20 авторскими свидетельствами и 3 патентами РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 284 страницы и содержит 76 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 273 наименований, из них 15-на иностранных языках, приложений на 66 страницах. Работа по совершенствованию почвообрабатывающих рабочих органов удостоена золотой медали на XIII Российской агропромышленной выставке, дипломов на VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций и на 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения».
