Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и задачи исследований 8
1.1 Технология ухода за пропашными культурами 8
1.2 Обзор конструкций пропашных культиваторов 10
1.3 Подготовка к работе и настройка пропашного культиватора 13
1.4 Анализ конструктивно-технологических параметров рабочих органов культиватора 16
2 Теоретические исследования 25
2.1 Обоснование способов механического воздействия на комки почвы 25
2.2 Обоснование конструктивной схемы рабочих органов 28
2.3 Обоснование параметров Т-образной лапы 29
2.4 Обоснование параметров двухъярусного катка 32
2.5 Обоснование режимов работы двухъярусного катка и Т-образной лапы 35
2.6 Обоснование стабилизации хода пропашного культиватора 40
3 Методика экспериментальных исследований 48
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 48
3.2 Методика определения физико-механических и технологических свойств почвы 50
3.3 Методика определения разрушающих нагрузок при статическом и динамическом воздействии на комки почвы 59
3.4 Методика исследования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой 64
3.5 Методика проведения лабораторных исследований рабочих органов культиватора 68
3.6 Методика проведения полевых испытаний опытных образцов рабочих органов 74
3.7 Методика определения показателей тягового сопротивления рабочих органов 77
4 Результаты экспериментальных исследований 79
4.1 Результаты изучения физико-механических и технологических свойств почвы 79
4.2 Результаты определения нагрузок, разрушающих комок почвы 84
4.3 Расчет конструктивных параметров предлагаемых рабочих органов 88
4.4 Результаты исследования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой 91
4.5 Результаты лабораторных исследований рабочих органов культиватора 100
4.6 Результаты проведения полевых испытаний 102
4.7 Результаты определения тягового сопротивления 106
5 Технико-экономическая эффективность пропашного культиватора 109
5.1 Общие положения определения технико-экономической эффективности 109
5.2 Расчет технико-экономических показателей 110
5.3 Расчет производительности труда и трудоемкости выполненных работ 111
5.4 Расчет эксплуатационных затрат 112
5.5 Расчет дополнительной экономии 115
5.6 Расчет эффективности капитальных вложений 116
5.7 Коэффициент (индекс) доходности и срок окупаемости капитальных вложений 118
Общие выводы 119
Литература 121
Приложения 128
- Анализ конструктивно-технологических параметров рабочих органов культиватора
- Методика проведения лабораторных исследований рабочих органов культиватора
- Результаты исследования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой
- Результаты определения тягового сопротивления
Введение к работе
Актуальность темы. Процесс ухода за посевами пропашных культур включает две-три междурядные обработки с целью создания оптимальных условий для роста и развития растений.
Однако применяемые в настоящее время культиваторы не в полной мере обеспечивают выполнение агротехнических требований, предъявляемых к междурядной обработке.
Работа выполнена в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы (раздел «Техническая и технологическая модернизация сельского хозяйства»), утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.
Цель исследования - обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора, обеспечивающих сохранение почвенной влаги и стабилизацию хода агрегата.
Объект исследования - технологический процесс культивации пропашных культур.
Предмет исследования - закономерности крошения (измельчения) комков почвы, выравнивания поверхности и стабилизации хода культиватора при междурядной обработке.
Методика исследования включала: теоретические исследования процесса крошения почвы и стабилизации поперечных колебаний пропашного культиватора с использованием методов классической механики и математического анализа; экспериментальные исследования с применением современного тензометрического оборудования, методов планирования многофакторного эксперимента, оценки адекватности и достоверности полученных результатов, определения экономической эффективности.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы ударным воздействием при наличии опорного элемента. Определена критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы. Получена эмпирическая регрессионная модель, устанавливающая взаимосвязи между основными параметрами двухъярусного катка секции пропашного культиватора и качественными показателями его работы.
На основе исследований предложены комбинированные рабочие органы, новизна которых подтверждена патентами на полезную модель № 71503, № 78625 и решением ФИПС от 12.12.2008 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007127702/11(030164).
Практическая значимость работы. Предложенные аналитические зависимости и методика расчета могут быть использованы при проектировании комбинированных почвообрабатывающих рабочих органов и расчете конструктивных параметров стабилизирующих элементов пропашных культиваторов.
На защиту выносятся следующие положения:
перспективная технологическая и конструктивная схемы комбинированного почвообрабатывающего устройства;
математическая модель процесса крошения почвы;
конструкция стабилизатора хода пропашного культиватора;
результаты экспериментальных исследований по обоснованию оптимальных параметров рабочих органов;
результаты сравнительных полевых исследований предложенных технических и технологических решений и их экономическая оценка.
Апробация работы. Основные результаты исследований изложены и рекомендованы к публикации на научных конференциях СтГАУ (г. Ставрополь, 2008...2009 гг.), ОГАУ (г. Орел, 2008 г.), во Всероссийском смотре-конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, АЧГАА (г. Зерноград, 2008 г.), финале этого конкурса в МГАУ им. В. П. Горяч-кина (г. Москва, 2008 г.).
Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований и хкизный проект на комбинированный каток приняты ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМ-СЕЛЬМАШ» для изготовления опытной партии и внедрения в производство.
Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ, 2 патента на полезную модель и положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 103 наименования, из которых 4 на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 27 таблиц.
Анализ конструктивно-технологических параметров рабочих органов культиватора
Рабочие органы культиватора КРН-5,6Б закреплены на грядиле, который соединяется с брусом культиватора при помощи параллелограммной системы, обеспечивающей постоянный угол входа рабочих органов в почву. Копирование поверхности поля осуществляется посредством копирующего колеса. Для этого на культиваторе КРН-5,6Б используют обрезиненное копирующее колесо диаметром 300 мм и шириной 100 мм. В совокупности грядиль с рабочими органами, копирующее колесо и параллелограммная система образуют секцию культиватора.
Заглубление и устойчивость хода рабочих органов культиватора зависит от угла установки звена четырехзвенника относительно горизонтальной плоскости.
Рассмотрим схему сил, действующих на рабочие органы и секцию культиватора. Культиваторные лапы заглубляются под действием вертикальной составляющей силы Sz (рис. 1.5). Уравновешивается эта сила реакцией почвы, воспринимаемой опорным колесом секции, и силой сопротивле-й ния перекатыванию. С учетом того, что силы приложены на некоторых расстояниях, они образуют моменты сил.
Так как направление силы R изменяется в зависимости от состояния почвы, глубины обработки, скоростного режима культиватора, то изменяются величина и направление равнодействующей силы Sz и момент Szk. Равновесие системы наступает, когда направление силы Sz, перемещенной в точку В, совпадает с направлением звена АВ, т.е. Szk = 0 . При изменении направления силы Sz равновесие достигается изменением высоты/, т. е. перестановкой опорного колеса секции по высоте.
Однако при этом необходимо учитывать, что с изменением глубины обработки перестановкой колеса 5 секции изменяется и угол ці. Это приводит к изменению способности рабочих органов заглубляться: при поднятии колеса, т. е. при увеличении глубины, заглубляющий момент Szk уменьшается и наоборот.
Иногда верхнее звено четырехзвенника 1 делают регулируемым по длине, что позволяет установить грядиль секции параллельно поверхности поля, при этом четырехзвенник из параллелограмма превращается в трапецию, что не обеспечивает правильное расположение рабочих органов.
Копирующее колесо секции обеспечивает требуемое расположение рабочих органов по глубине и копирование микрорельефа поля, движение колеса по поверхности поля приводит к относительному перемещению заднего звена параллелограммной навески и всего грядиля в целом. При этом угол установки рабочих органов к поверхности поля не изменяется.
Однако копирующее колесо секции однооперационно, предназначено для выполнения одной операции — копирование, тем самым он не обеспечивает разрушение лежащих на поверхности поля комков почвы. Колесо выполнено из металлического обода с резиновым бандажом и имеет большую площадь опоры. При этом веса секции не хватает для разрушения комков почвы. Находящиеся на поверхности поля комки почвы, выделенные из общей массы, быстро высыхают и приобретают повышенную твердость, нежели расположенные ниже увлажненные слои почвы [91]. Копирующее колесо, наезжая на такие комки, приподнимает всю секцию культиватора, выглубляя рабочие органы (рис. 1.6а). При этом стрельчатая и односторонние лапы не обеспечивают должным образом подрезание сорных растений, а при выполнении подкормки высеянные туки не заделываются в почву на требуемую глубину [1].
Ввиду того, что рабочие органы, расположенные на секции, находятся на некотором удалении от копирующего колеса, возникает явление неэффективного копирования (рис. 1.66). При попадании колеса секции в углубление почвы рабочие органы излишне заглубляются.
Применение стрельчатых лап обусловлено тем, что они эффективно осуществляют подрезание сорняков [39], [84] (рис. 1.7).
Наряду с эффективным подрезанием сорняков стрельчатые лапы имеют и существенные недостатки, снижающие качественные показатели обработки почвы, а именно:
- выносят на поверхность влажную почву [28];
- образуют бороздки глубиной до 0,05...0,06 м, через которые происходит испарение почвенной влаги [75];
- под действием сил R (рис. 1.8) отбрасывают почву в стороны, создавая гребнистую поверхность, что увеличивает площадь испарения [18];
- интенсивное увеличение отбрасывания почвы происходит с ростом скорости движения, что не позволяет работать на скоростях свыше 7,5...8,0 км/ч, а это снижает производительность агрегата [7];
- не могут стабильно работать на глубине 0,04...0,05 м, так как происходит смещение почвы и оголение дна борозды [99];
- для ограничения отбрасывания почвы рядом со стрельчатыми лапами необходимо дополнительно устанавливать защитные щитки или диски [33], [12];
- неспособны эффективно крошить комки почвы [61], [83].
Устранение этих недостатков позволит улучшить качественные показатели работы почвообрабатывающего агрегата.
Испытаниями РосНИИТиМ установлено, что допустимая по агротехническим требованиям степень повреждения культурных растений 3% обеспечивается при скорости движения не более 2,1 м/с (7,63 км/ч). При скорости движения свыше 2,5 м/с (9,18 км/ч) повреждения культурных растений достигают 13 % при заданной величине защитной зоны 0,1 м [89]. Вследствие неравномерности заглубления рабочих органов, разной плотности почвы и другим причинам сопротивления на левых и правых рабочих органах могут быть неодинаковыми, что приводит к возникновению момента, смещающего культиватор в сторону.
Таким образом, для снижения степени повреждения культурных растений при междурядной обработке направление движения культиватора должно быть параллельным рядкам с наименьшими боковыми смещениями. Для этого культиватор должен обладать хорошей устойчивостью хода в поперечной плоскости, как при прямолинейном движении трактора, так и при случайном маневрировании в междурядьях. В то же время при обработке непрямолинейных посевов культиватор должен быть хорошо управляемым, чтобы его рабочие органы могли копировать неровности рядков [95].
Для повышения рабочей скорости культиватора требуется улучшение его управляемости и повышение стабилизации хода.
Для обеспечения точности вождения машинно-тракторных агрегатов при междурядных обработках и уменьшения величины защитной зоны используют направляющие элементы и различные устройства.
Одним из устройств, позволяющим решить данную проблему, является система автоматического вождения, которая при помощи оптических датчиков выполняет подруливание почвообрабатывающего агрегата. Оптические датчики ориентируют агрегат вдоль оси рядка, образуемого культурными растениями, но при наличии сорных растений в зоне контроля датчика, система может отклонятся, используя неверный ориентир [101], [54].
Широкое применение находит использование специальных визиров, устанавливаемых с правой стороны трактора так, чтобы его указатель располагался над рядком растений и был хорошо виден трактористу [46]. Простое устройство служит хорошим ориентиром, но требует повышенной напряженности механизатора, постоянно наблюдающего за расположением указателя визира.
Механическим вариантом обеспечения поперечной устойчивости хода культиватора является использование направляющих элементов — щелевателей-направителей [92]. Щелеватель-направитель состоит из съемного ножа 7 (рис. 1.96), кронштейна 5 для крепления к брусу культиватора. Нож толщиной 25 мм съемный, в транспортном положении агрегата его устанавливают сверху стойки. В стойке через каждые 50 мм просверлены отверстия для регулирования заглубления ножа. Щелеватель размещают впереди бруса машины. Щели нарезают при предпосевной обработке почвы или одновременно с посевом по следу движителей трактора. При последующих обработках по следу щелей, окучивающим корпусом, установленным на секции, нарезают следоуказующие бороздки глубиной 0,06...0,08 м. Узкие щели замываются и становятся незаметны, а бороздки хорошо видны и служат надежным ориентиром для тракториста. По бороздкам движутся колеса трактора. При копировании щелей диски обязательно заглубляют в них на 0,12...0,15 м, что обеспечивает ориентированное движение культиватора.
Методика проведения лабораторных исследований рабочих органов культиватора
Объект исследований — процесс отбрасывания почвы рабочими органами, силовые характеристики двухъярусного катка. Задачи экспериментальных исследований:
- сравнение эффективности работы стрельчатой лапы в паре с об-резиненным копирующим катком секции и Т-образной лапы с двухъярусным катком путем определения коэффициентов отбрасывания почвы Ко, изменения площади испарения Ки и глубины образуемой бороздки;
- определение разрушающего усилия наружного двухъярусного катка.
Оборудование, приборы, приспособления:
1. Лабораторная установка «Почвенный канал».
2. Набор тензометрических датчиков DACELL.
3. Цифровая фотокамера «NIKON D-80».
4. Измерительная линейка 100 мм, ГОСТ 427-75.
Лабораторная установка «Почвенный канал» создана на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Ставропольского ГАУ для проведения лабораторных исследований и первичной апробации разрабатываемых почвообрабатывающих орудий. Лабораторная установка (рис. 3.10) состоит из электрического шкафа управления 1, позволяющего менять направление дви 69 жения тележки и её скорость, приводной станции 2 и емкости с почвой 3.
Емкость имеет прямоугольную форму шириной 0,5 м, заполненную почвой. Верхняя кромка емкости окантована уголком и используется как рельсы для передвижения по ней тележки 4. Универсальный грядиль 6 и набор держателей 7 позволяют устанавливать исследуемые рабочие органы в нужной компоновке, параллелограммныи механизм навески 5 обеспечивает копирование поверхности почвы.
Кинематическая схема привода тележки показана на рисунке 3.11. Червячный редуктор / с передаточным числом 1:14 приводится в движение электродвигателем 2 и передает полученный крутящий момент посредством цепной передачи 3 на ведущий вал 5. Получаем синхронное движение двух параллельных ветвей цепей 4, натянутых между двумя валами 5 и 6. Ведомый вал 6, имея возможность перемещаться с помощью устройства 7, натягивает обе ветви цепи.
Передвижная тележка при помощи двух уголков соединена по бокам с верхними ветвями цепей (рис 3.12а). Такое соединение позволяет перемещать тележку вместе с цепями. На краях рельс установлены ограничители, не позволяющие тележке соскочить с них. Колеса имеют отбортовку, исключающую перемещение тележки в поперечном направлении. Приводные цепи и вращающиеся детали установки закрыты защитными кожухами.
Управление установкой автоматизировано. Путевые выключатели (рис. 3.126), установленные в конечных точках движения тележки, позволяют автоматически отключать привод и останавливать движение.
Результаты исследования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой
Согласно методике, описанной в пункте 3.4, для определения силовых характеристик двухъярусного катка необходимо провести полный факторный эксперимент по схеме 2 . Переменными факторами являются:
1. Масса внутреннего катка, т, кг.
2. Частота вращения наружного катка, Тнк, с"1.
За критерий оптимизации принимаем импульс удара внутреннего катка S, Н-с, обеспечивающий крошение комка почвы до требуемого фракционного состава.
Опыты проведены по матрице, представленной в таблице 4.11, в последовательности имеющей случайный характер, повторность опытов - трехкратная [11].
Величина силы удара и его продолжительность определяются по сило-грамме (приложение 8). По каждой из трех повторностей подсчитываем среднее количество ударов, среднюю силу удара и среднюю продолжительность удара. Используя формулу 2.26, определяем импульс силы в каждой из повторностей. Полученные данные служат откликами для составления уравнения регрессии (табл. 4.12).
Для заданной доверительной вероятности а = 0,95 значение GKP= 0,6841. Подставив значения в формулу 4.8, находим, что Gp= 0,54, это меньше табличного (критического) значения, условие 4.9 выполнено. Следовательно, гипотеза об однородности дисперсии подтверждается при 5 % уровне значимости.
Дисперсия воспроизводимости откликов (дисперсия параметра оптимизации) определяется по формуле
Если условие выполнено, то коэффициент считается значимым. Если для какого-либо коэффициента Ъ условие не выполняется, то такой коэффициент следует считать незначимым (равным нулю), так как отличным от нуля он мог стать за счет ошибок эксперимента.
Как видно из таблицы 4.15, коэффициент уравнения регрессии bj2 является незначимым. Подставив полученные значения коэффициентов в выражение 4.5, получим уравнение регрессии в кодированном виде: Y = 1,597 + 0Д36ЛГ, + 0,091Х2. (4.16)
Подставив значения Xj и Х2 в кодированном виде в уравнение 4.16 для каждого из опытов, получим расчетное значение отклика Yt. Адекватность уравнения регрессии эксперименту проверяется по критерию Фишера. Дисперсия адекватности равна
Полученное уравнение регрессии устанавливает зависимость между критерием оптимизации — импульсом силы удара внутреннего катка, обеспечивающим крошение комка почвы до требуемого фракционного состава и факторами: массой внутреннего катка и частотой вращения наружного катка.
С помощью критерия Кохрена проведена оценка однородности дисперсии. С помощью критерия Стьюдента проверена гипотеза о значимости коэффициентов уравнения регрессии. Установлено, что коэффициент bj2 является незначимым. Адекватность математической модели проверена по критерию Фишера, установлено, что полученная математическая модель адекватна.
Для выполнения расчетов использована программа «Mathcad 14».
Используя адекватную математическую модель, геометрической ин 98 терпретацией которой является поверхность отклика (рис. 4.4), составлена проекция поверхностей отклика на горизонтальную плоскость (рис. 4.5). Для построения поверхности отклика и её проекции использована программа «STATISTICA 7».
Установлено, что частота вращения наружного катка является более значимым фактором, оказывающим воздействие на отклик. Определено, что диаметр наружного катка составляет 300 мм, следовательно, при частоте его вращения 3,18 с"1 скорость движения составляет 3 м/с (без учета проскальзывания).
По построенной проекции поверхности отклика определено, что оптимальной для внутреннего катка является масса 4,2 кг. Такая масса обеспечит эффективное крошение комков почвы в диапазоне рабочих скоростей культиватора от 2 до 3 м/с (т. е. от 2,12 до 3,18 с"1 частоты вращения наружного катка). При скорости, равной 2 м/с, импульс силы удара наружного катка составит 1,475 Н-с, что является достаточным значением для эффективного крошения. Рекомендуемая рабочая скорость культиватора - 2.. .3 м/с.
Расчетное значение совпадает с данными, полученными экспериментально, что говорит об адекватности разработанной математической модели.
Угол подъема внутреннего катка фиксируется при помощи скоростной видеосъемки в процессе проведения ПФЭ. Полученные данные обработаны в графическом редакторе (рис. 4.6).
Результаты определения тягового сопротивления
Согласно методике описанной в пункте 3.7 было определенно тяговое сопротивление подвижной тележки почвенного канала без рабочих органов. Среднее значение тягового сопротивления по трем повторностям составило 29,1 Н (табл. 4.24).
При проведении измерений тягового сопротивления рабочих органов из полученного результата вычиталось среднее значение тягового сопротивления подвижной тележки лабораторной установки, это позволило выделить выявит значение тягового сопротивления каждого из рабочих органов отдельно и в комбинации. Установлено, что тяговое сопротивление Т-образной лапы на 21,4% больше чем сопротивление стрельчатой лапы (табл. 4.25). Тяговое сопротивление двухъярусного катка на 11,8% больше тягового сопро 107 тивления обрезиненного катка секции. Комбинация рабочих органов Т образная лапа и двухъярусный каток (вариант) в сравнении с комбинацией стрельчатая лапа и обрезиненный каток (контроль) дали следующие результаты, в варианте тяговое сопротивление на 17,4% больше чем в контроле.
1. Определено, что для разрушения комков почвы диаметром не более 60 мм влажностью 14.. .16% при статическом воздействии необходимо и достаточно приложить к комку усилие в 1220,8 Н/м. Это обеспечивает крошение более 80 %. При этом содержание эрозионно опасных частиц размером менее 0,25 мм не превышает 2 %. Для разрушения до требуемого фракционного состава комок достаточно деформировать на 60 % от его диаметрального размера.
2. При динамических воздействиях разрушение комка до требуемого крошения (более 80 %) достигается приложением к комку импульса силы в 1,455 Н-с.
3. Коэффициент относительной деформации (сжатия) для комка почвы составляет 0,096, модуль упругости - 0,67 МПа.
4. Установлено, что критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы составляет 11,84 м/с, при которой происходит разрушение комков.
5. По качественным показателям предлагаемые рабочие органы превосходят стандартные: крошение до фракции 10 мм возрастает с 60,44 до 82,56 %. Количество частиц почвы, подверженных ветровой эрозии (размером менее 0,25 мм) не превышает 2 %.
6. Применение дисковых колес-стабилизаторов позволяет обеспечивать стабильную величину защитной зоны не менее 50 мм с коэффициентом вариации 15,8 % , практически полностью исключив подрезание культурных растений. В то время как использование стандартных опорно-приводных колес с пневматическими шинами приводит к подрезанию культурных растений, минимальное значение защитной зоны достигает 0 мм. Коэффициент вариации - 52,0 %.
7. Тяговое сопротивление Т-образной лапы и двухъярусного катка на 17,4 % больше, чем тяговое сопротивление стрельчатой лапы в паре с обре-зиненным катком секции.
