Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Природно-климатические условия Приморского края 9
1.2 Почвенные условия Приморского края и физико-механические свойства почвы 11
1.3 Классификация дисковых рабочих органов 17
Задачи исследования 29
2 Теоретические исследования 30
2.1 Обоснование конструкции дисковой бороны 30
2.2 Обоснование геометрических параметров и характера движения дискового рабочего органа с изменяющимся углом резания 34
2.3 Исследование кинематики и динамики диска 40
3 Программа и методика экспериментальных исследований 51
3.1 Программы экспериментальных исследований 51
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 51
3.2.1 Условия проведения экспериментальных исследований 51
3.3 Методика определения физико-механических характеристик почвы 52
3.3.1 Определение влажности почвы 52
3.3.2 Определение твердости почвы 55
3.4 Частные методики исследований 56
3.4.1 Лабораторная установка для проведения исследований на почвенном канале 56
3.4.2 Измерение усилия обработки верхнего слоя почвы 59
3.4.3 Измерение пройденного пути 61
3.4.4 Средства измерений, тарировка тензометрического звена 61
3.5 Методика оценки качества воздействия дисковой бороны с рабочим органом типа «качающаяся шайба» на поверхностный слой почвы 67
3.6 Планирование многофакторного эксперимента 73
4 Результаты экспериментальных исследований 88
4.1 Влияние конструктивно-технологических параметров экспериментальной дисковой бороны на изменение тягового сопротивление агрегата 88
4.2 Результаты многофакторного эксперимента 93
4.3 Результаты полевых испытаний дисковой бороны 103
5 Экономическая и энергетическая оценка эффективности внедрения дисковой бороны в технологию поверхностной обработки почвы 110
5.1 Технико-экономические показатели 110
5.2 Энергетическая эффективность внедрения дисковой бороны 113
Общие выводы 118
Список литературы 119
Приложения 133
- Классификация дисковых рабочих органов
- Методика оценки качества воздействия дисковой бороны с рабочим органом типа «качающаяся шайба» на поверхностный слой почвы
- Результаты многофакторного эксперимента
- Энергетическая эффективность внедрения дисковой бороны
Введение к работе
Актуальность темы. Механическая обработка почвы — очень важный элемент в системе земледелия. Способы обработки почвы многообразны и зависят от ее физико-механических свойств, а также требуемого качества для возделывания определенных культур.
Главная задача боронования — создать оптимальную структуру состава почвы, обеспечивающую наилучшие условия для развития культурных растений и, как следствие, получение высокого урожая, соответствующего генетическому потенциалу культурных растений, а также защиты культурных растений от сорняков, вредителей и болезней.
В Приморском крае боронование сложно произвести с соблюдением всех агротехнических требований, так как почвы имеют тяжёлый механический состав и поднятые при основной обработке пласты быстро иссушиваются ветром и становятся прочнее. Это служит причиной того, что провести боронование с соблюдением всех агротехнических требований очень сложно.
В связи с этим исследования по совершенствованию поверхностной обработки почвы являются важной и актуальной задачей для современной системы земледелия.
Работа выполнялась в рамках «Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 гг.», а также в соответствии с программами: «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 г.»; «Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г.» и программой научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» в период 2009-2012 гг.
Цель исследования. Повышение качества поверхностной обработки почвы на основе совершенствования конструктивно-технологических параметров дисковых рабочих органов.
Методы исследования. Анализ и обобщение существующего опыта, аналитическое моделирование и лабораторные методы на основе планирования факторного эксперимента с обработкой результатов на основе прикладной статистики с использованием программы MS Excel на ПК.
Объект исследования Технологический процесс поверхностной обработки почвы, осуществляемый дисковыми рабочими органами.
Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивно-технологических параметров на качество поверхностной обработки почвы.
Достоверность результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований согласуются в пределах зоны доверительного интервала, таким образом, теоретические исследования подтверждаются экспериментально.
Научная новизна. Заключается в получении математической модели кинематического обоснования движения рабочих органов, определении тягового
сопротивления дискового орудия, оптимизации конструктивно-технологических параметров предлагаемой бороны с дисковыми рабочими органами, установленными по принципу «качающаяся шайба», позволяющими реализовать заданные агротехнологические режимы для повышения качества обработанного поверхностного слоя почвы.
На защиту выносятся результаты теоретических исследований параметров и режимов работы экспериментальной дисковой бороны, экспериментальных исследований влияния параметров и режимов работы бороны на качество поверхностной обработки почвы и математическая модель оптимизации условий боронования, анализ экономической эффективности и внедрения предлагаемой разработки.
Практическая значимость работы. Состоит в разработке по результатам исследований новых сельскохозяйственных орудий для поверхностной обработки почвы, оснащённых дисковыми рабочими органами, конструктивные решения которых защищены патентами РФ №№ 74542, 89920. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и совершенствовании дисковых почвообрабатывающих орудий.
Внедрение. Борона, оснащённая рабочими органами с изменяющимся углом резания внедрена в колхозе «Хвалынский» Спасского муниципального района Приморского края в течение трёх лет. Результаты исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Автотракторная и сельскохозяйственная техника» ФГБОУ ВПО «Приморская ГСХА».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научно-практических конференциях «Молодые ученые - агропромышленному комплексу Дальнего Востока» (г. Уссурийск, 2010, 2011, 2012 г.г.), заседаниях кафедры «Автотракторная и сельскохозяйственная техника» ФГБОУ ВПО «Приморская ГСХА» (г. Уссурийск, 2011, 2012, 2013), а также на научных конференциях в ФГОУВПО ДальГАУ (Благовещенск, 2009-2010 гг.). Результаты исследований демонстрировались на краевой выставке-ярмарке научно-технических идей (Владивосток, 2010 г.), научно-технической выставке, посвященной 50-летию института механизации сельского хозяйства «Инновационные технологии и средства в агроинженерии» (Уссурийск, 2011 г.)
Публикации. Материалы исследований отражены в 15 печатных работах, в том числе в Зх печатных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, а также в описании двух патентов на полезную модель. Объем публикаций составляет 3,9 п.л., на долю автора приходится 2,25 п.л.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, основной текст сопровождается 16 таблицами, 71 рисунком и 70 формулами. Список литературы содержит 149 наименований, из них 9 на иностранных языках.
Классификация дисковых рабочих органов
Дисковые рабочие органы не только движутся поступательно вместе с рамой машины или орудия, но и вращаются под действием реакции почвы. Благодаря этому они в меньшей мере, чем поступательно движущиеся рабочие органы, забиваются растительными остатками.
При обработке пересохших, спекающихся тяжёлых почв орудиями со сферическими дисками крупные глыбы, какие возникают в результате обработки таких почв лемешными плугами, не образуются. Поэтому дисковые плуги широко применяются в странах с тропическим климатом, а также при обработке почв рисовых чеков. Качество крошения почвы дисковыми плугами примерно такое же, как и лемешными [13, 14], однако они значительно хуже оборачивают пласт и заделывают растительные остатки, вследствие чего в условиях нашей страны применяются редко. К отрицательным свойствам относятся плохая заглубляемость в почву и вызванная этим необходимость применения балластных грузов, а также непригодность для работы на скоростях более 7 км/ч.
Плоские диски (рисунок 1.4.) применяют в качестве дисковых ножей плугов, а также рабочих органов лущильников для обработки почв, подверженных ветровой эрозии. Почва обрабатывается без оборота с сохранением стерни.
Сферические диски (рисунок 1.5.) используют в качестве рабочих органов дисковых плугов, лущильников, борон. Дисковые плуги предназначены для обработки тяжёлых, сухих почв, а также почв, пронизанных корнями древесных растений, для вспашки рисовых полей на глубину 25...30 см, дисковые лущильники- для лущения стерни на глубину 6...5 см, бороны- для измельчения пластов и глыб на поверхности вспаханного поля, весенней предпосевной обработки зяби.
Режущая кромка диска, установленного под углом к направлению движения, в процессе работы отрезает полоску почвы и поднимает её на внутреннюю сферическую поверхность, в результате чего она крошится, частично оборачивается и перемешивается. С увеличением угла атаки диски глубже погружаются в почву, её крошение возрастает, с увеличением угла наклона диска к вертикали несколько улучшаются оборот и перемешивание почвы. Диски перерезают тонкие корни, перекатываются через толстые, но на каменистых почвах выкрашиваются.
Вырезные диски (рисунок 1.6.) устанавливают на тяжёлых боронах, которые применяют как для первичной обработки тяжёлых задернелых почв, так и для разделки связных пластов, поднятых при вспашке болотных и кус-тарниково- болотных земель. Они более интенсивно воздействуют на почву, лучше перерезают корни растений.
Турбодиски устанавливают на дисковых культиваторах, они объединяют в себе лучшие качества традиционных культиваторов и дисковых борон, но обладают характерными особенностями - работают по растительным остаткам любого размера и любой плотности, не забиваются, вертикально обрабатывает переувлажненную, подмерзшую или пересушенную почву [22, 23, 51, 65]. При помощи этого орудия существует возможность очень мелкой предпосевной обработки на глубину 2,5 см. Возможна обработка на глубину 10-15 см. Турбодиски в отличие от культиваторной лапы не выносят камни на поверхность, не забиваются растительными остатками, могут использоваться при любом увлажнении почвы и в отличии от традиционных культиваторов и дисковых орудий, не создает комков при работе по сырой почве.
Основная задача борон в целом и дисковых борон в частности - это обеспечение обработки почвы согласно агротехническим требованиям, предъявляемым для проведения агротехнических работ при возделывании сельскохозяйственных культур. Главная цель инженеров и исследователей занимающихся вопросами создания и модернизации борон - это не только создание орудия способного выполнить работу согласно норм агротехнических требований, но и стремление улучшать качество обработки почвы, обеспечивающее растениям больший потенциал для роста. С этой целью было проведено большое количество технических решений [21, 29-39; 72-75; 78, 79; 101,103,104,110-116,120,124,125,109].
Исследованиям в области совершенствования поверхностной обработки почвы дисковыми рабочими органами посвящены работы: Богдан В. И., Булавина С. А., Бычкова В. В. Кислова А. А., Любина В. Н., Мякотиной О. М., Никитина В. В., Ожерельева В. Н., Посметьева В. И., Рыжкова А. В., Са-муйло В. В., Тарасюк Д. А., Третьякова А. И., Шевкун В. А., и других авторов [15,17, 18,19, 24- 28, 40, 43, 44, 46, 54, 59, 70, 87, 88, 93-96,106, 109,118, 121-123,126,127,129,132, 134, 138,139, 142-144,145-149].
Анализ конструкций дисковых почвообрабатывающих орудий показал, что ряд технических решений заключался в том, что были изменены элементы конструкций рам борон, другие решения были направлены на изменение конструкции элементов подвески рабочих органов. Оба эти направления изменений помимо улучшения качества обработки почвы всё же больше решали вопрос организации обработки почвы и улучшения эксплуатационных свойств орудий, так как среди преимуществ этих решений были такие как улучшение обслуживания или появление возможностей изменять геометрические параметры в зависимости от некоторых свойств почвы. И лишь небольшая часть из всех решений была направлена на создание рабочих органов с другим, беспрецедентным качественным воздействием на почву, позволяющим максимально эффективно обрабатывать почву с лучшими качественными показателями.
Известна конструкция широкозахватной навесной дисковой бороны Тарасова В.П. и Загурского В.К. из Новосибирского производственного объединения "Сибсельмаш", которая содержит раму с элементами присоединения к трактору и секции рабочих органов в виде дисков со средствами регулирования их угла атаки. Для увеличения продольной устойчивости агрегата трактора с бороной секции рабочих органов выполнены из внутренних и наружных частей, соединенных между собой вертикальными шарнирами и упругим элементом с возможностью поворота наружных частей относительно внутренних вперед до упора. Последние установлены на дополнительных рамах, соединенных с центральной рамой шарнирами, оси которых расположены горизонтально в направлении движения бороны.
Известна дисковая борона Инаекян С.А., Коломиец В.В., Гончаренко В.М. и др. из Акционерного общества "Красный Аксай", содержащая раму 1 с продольными брусьями 2, на которых под углом атаки а закреплены батареи 3 дисков 4, снабженные внутренней опорой 5 с вертикальным шарниром 6 и наружной Г-образной опорой 7 с фиксатором 8. Вертикальная часть опоры 7 закреплена в брусе 2 рамы 3. Наружный конец горизонтальной части Г-образного элемента имеет отверстие для крепления фиксатора 8. Вертикальная часть 9 Г-образной опоры 7 выполнена в виде шпильки, верхняя часть которой помещена в паз 14 бруса 2. Фиксатор 8 выполнен в виде болта, верхний конец которого зафиксирован в одном из отверстий бруса 2 с помощью гайки и стопорной шайбы.
Известна дисковая борона Сохт К. А., Кириченко А. К., Ежова В. А. и Макаренко А. И. из Краснодарского научно-исследовательского института сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко, содержащая раму, ряды дисков и прицепное устройство, отличающаяся тем, что прицепное устройство снабжено механизмом управления и выполнено в форме треугольника, основание которого шарнирно соединено с понижающими кронштейнами рамы, а в вершине треугольника, по оси симметрии прицепного устройства, установлен рычажный механизм, состоящий из гидроцилиндра, один конец которого шарнирно соединен с вершиной треугольника, а другой конец шарнирно с рычагом, качающемся на консольно закрепленной на раме бороны балке, пирамидально возвышающейся над прицепным устройством.
Известен рабочий орган дисковой бороны авторов из этого же института Сохт К. А., Кириченко А. К., Ежова В. А., и др., содержащий стойку, подшипниковый узел и сферический диск, имеющий угол наклона к вертикальной плоскости, отличающийся тем, что вертикальная ось стойки проходит через нижнюю точку диаметра диска.
Методика оценки качества воздействия дисковой бороны с рабочим органом типа «качающаяся шайба» на поверхностный слой почвы
Глубину определяем промерами линейкой от поверхности необработанного поля до дна бороздки, образующейся от прохода рабочего органа [6]. Для определения глубины на обработанном поле выравниваем поверхность почвы и линейкой или металлическим стержнем с делениями замеряем расстояние от поверхности до дна борозды. На площади, равной площади обработки сменного задания механизатора, необходимо делать не менее 25 замеров глубины обработки. В полевых опытах, требующих точных сравнений, количество замеров глубины дискования увеличивают до 50— 100, охватывая, по возможности, все повторения полевого опыта.
Техника определения глыбистости [6]. На поверхность почвы накладывают палетку и вдавливают рабочий столик в почву до соприкосновения палетки с поверхностью почвы. При просмотре поверхности почвы, ограниченной палеткой, все контуры глыб оказываются расчлененными на квадратики площадью 1 см2. Подсчет количества квадратиков в контуре глыбы дает ее площадь с точностью до 1 см .
Площадь каждой глыбы размером более 10 см определяется и записывается отдельно. Для пересчета абсолютных показателей (CMZ) в сопоставимые относительные величины (%) суммарную площадь глыб (S) умножают на коэффициент 0,04
В полевых опытах, требующих надежных сравнений и статистической обработки результатов анализа, необходимо делать 8—10 наложений на делянках площадью 100—200 см , охватывая все повторения полевого опыта. В условиях производства для оценки глыбистости пашни и качества крошения почвы достаточно делать 5—6 наложений на площади, равной площади обработки сменного задания механизатора [6].
Если в полевых условиях не представляется возможным сделать достаточного количества учетов глыбистости, например из-за задержки следующих за обработкой агротехнических приемов (культивация, посев и т. п.) или возникает необходимость освоить методику оценки глыбистости в лабораторных условиях, то целесообразно ее определить методом фотографирования в сочетании с лабораторной модификацией устройства. Для этого поверхность почвы после обработки поля фотографируют на выделенных рамкой (50x50 см) учетных единицах. Размер изображения поверхности почвы увеличивают с таким расчетом, чтобы площадь почвы, ограниченная рамкой 50x50 см, имела размеры на фотографии 15x15 см.
Для определения глыбистости необходимо дополнительно изготовить из листа органического стекла (17x17 см) палетку в виде квадрата 15x15 см, разделенного на 2500 квадратов размером 0,3x0,3 см. Площадь глыб определяют наложением палетки на фотографию поверхности почвы и подсчетом числа квадратов в контуре глыб. Определение суммарной площади глыб и пересчет абсолютных показателей глыбистости в сопоставимые относительные величины (%) проводят по методике, описанной выше для полевых условий.
Слитность и гребнистость. Слитность поверхности означает, что поверхность вспаханного участка плоская, без западин и возвышений, без ступенчатости в отдельных проходах агрегата.
В производственных условиях гребнистость и слитность часто определяют визуально. Однако целесообразно применение простого и точного инструментального способа. Для этого пользуются 10-метровым шнуром с привязанной на конце 2-метровой лентой с сантиметровыми делениями. Гребнистость определяют следующим образом. В почву забивают колышек и привязывают к нему шнур. Натягивают его поперек направления прохода агрегата и на 10-метровой отметке забивают второй колышек (рисунок 3.17, 1). Отпустив шнур, по мерной ленте определяют удлинение его за счет копирования гребней (рисунок 3.17, 2), Отношение удлинения профиля (см) к базисной длине шнура (м), выраженное в процентах, даст процент гребнистости. Оценку гребнистости производят по 5-балльной шкале.
С помощью полученных данных можно определить и вспушениость.
Для этого на чертеже определяют площадь поперечного сечения невспаханного пласта и площадь поперечного сечения прироста пласта за счет рыхления. Отношение прироста площади ДО) к площади сечения невспаханной почвы (S), умноженное на 100, даст вспушениость почвы а) в процентах
Общая оценка качества дискования почвы на основе инструментальных и статистических методов складывается из следующих показателей [68].
Результаты многофакторного эксперимента
В результате постановки факторного эксперимента были получены результаты вариационно - статистической обработки экспериментальных данных (таблица 4.1), а также уравнение регрессии.
Решив раскодированное уравнение регрессии, используя оптимальные значения факторов, получили оптимальное значение критерия оптимизации (качество поверхностной обработки, балл) Р = 9,94 баллов. Округлив значения оптимальных факторов [7], получим: рабочий угол а = 10 град.; нагрузка на диск F = 480 Н; скорость агрегата v = 2,3 м/с.
Значение критерия оптимизации при округленных оптимальных значениях факторов Р = 9,91 баллов, что соответствует требованиям.
Для анализа парного влияния рассматриваемых факторов на критерий оптимизации, построены поверхности откликов [37].
Поверхность отклика при варьировании нагрузки на каждый диск и скорости (рисунок 4.6).
Уравнение регрессии при нулевом уровне рабочего угла
Поверхность отклика при варьировании рабочего угла и рабочей скорости (рисунок 4.7).
Уравнение регрессии при нулевом уровне удельной нагрузки на диск
Поверхность отклика при варьировании рабочего угла и нагрузки на диск (рисунок 4.8).
Уравнение регрессии при нулевом уровне скорости агрегата: Р = 2,06+ 0,33а + 0,024F- 0,015а - 2,54Ґ
Анализ результатов многофакторного эксперимента показал, что оптимальным значением критерия оптимизации (качество обработки почвы) является величина Р = 9,94 баллов при этом оптимальные значения варьирующих факторов равны: рабочий угол а = 10 град.; нагрузка на диск F = 480 Н; скорость агрегата v = 2,3 м/с.
Энергетическая эффективность внедрения дисковой бороны
Применение методов оценки производства сельскохозяйственных культур по затратам труда и экономическим показателям в ряде случаев является недостаточным, поскольку эти показатели имеют существенные колебания, определяемые политикой ценообразования, и не позволяют установить уровень необходимых затрат энергии на производство продуктов. Все возрастающий дефицит энергии, требует такого подхода к оценке механизированных технологий и технологических процессов, при котором, должны учитываться энергетические затраты на производство сельскохозяйственной продукции.
Предлагаемая технология поверхностной обработки почвы отличается от базовой тем, что на проектной дисковой бороне применяется дисковый рабочий орган, работающий по принципу качающейся шайбы. Экономический эффект достигается за счет увеличения производительности и снижения силы сопротивления.
Определим совокупные энергозатраты технологического процесса боронования. При этом в базовом варианте агрегат состоит из трактора МТЗ - 1221 и дисковой бороны БДН-3, в предлагаемом варианте - из трактора МТЗ - 1221 и проектной дисковой бороны с рабочим органом типа качающаяся шайба
Как показывают результаты расчета, процесс боронования почвы сферическими дисками является более энергоёмким, по сравнению с предлагаемым на величину АЕГП = 4300,35 - 4142,63 = 157,72 МДж / га.
Расчетные показатели для дисковой бороны со сферическими и проектными рабочими органами представлены в таблице 5.2
Проведенные исследования и расчеты показывают, что применение проектного дискового рабочего органа приводит к увеличению производительности на 0,10 га/ч и снижению расхода топлива на 0,25 кг/ч. Годовая экономия от применения экспериментальной дисковой бороны по сравнению с бороной БДН-3 составляет 2 024,28 руб. или 6,82 %, его применение позволяет сэкономить 40,49 руб/га, что свидетельствует об экономической целесообразности применения экспериментальной дисковой бороны для поверхностной обработки почвы. Энергетическая оценка агрегатов показывает, что экспериментальная дисковая борона затрачивает энергии меньше на 157,72 МДж/га, чем серийная борона БДН-3.
