Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи, исследований 14
1.1. Особенности природно-производственных условий Н.Р.Бангладеш 14
1.1.1. Климат и почвы 14
1.1.2. Общая характеристика сельского хозяйства Бангладеш 18
1.1.3. Влияние наводнений на возделывание сельскохозяйственных культур 24
1.2. Состояние механизации обработки почвы в Н.Р.Бангладеш 26
1.2.1. Существущие системы обработки почвы в Н.Р.Бангладеш 26
1.2.2. Технологические процессы и технические средства обработки почвы 28
1.2.3. Интенсивность обработки почвы в сельском хозяйстве Бангладеш 32
1.3. Анализ совреїленннх методов оптимизации параметров и режимов движения почвообрабатывающих машинно-тракторных агрегатов 33
1.4. Выводы, цель и основные задачи исследования . 42
1.4.1. Выводы 42
1.4.2. Цель и задачи исследования 43
Глава 2. Элементы теории оптимизации состава и режимов движения основных типов почвообрабатывавдих агрегатов 45
2.1. Обоснование общего метода и структурной схемы исследований 45
2.2. Обоснование оптимальной мощности, ширины захвата и скорости движения почвообрабатывающих агрегатов 49
2.3. Определение основных показателей холостого движения агрегатов 63
2.4. Выводы 68
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 70
3.1. Программа экспериментальных исследований 70
3.2. Описание объектов и приборов для экспериментальных исследований 72
3.2.1. Объекты экспериментальных исследований 72
3.3. Методика проведения полевых опытов 86
3.3.1. Определение агротехнических показателей работы пахотных и культиваторных агрегатов 86
3.3.2. Определение энергетических показателей агрегатов в полевых условиях 91
3.3.3. Определение кинематических показателей пахотных и культиваторных агрегатов 93
3.4. Оценка точности измерений 94
3.5. Методика обработки экспериментальных данных 101
3.6. Выводы 104
Глава 4. Анализ результатов экспериментальных исслещобаний и численных расчетов 105
4.1. Анализ результатов измерений физико-механических свойств типичных почв Н.Р.Бангладеш 105
4.2. Анализ результатов измерений энергетических параметров агрегатов НО
4.3. Анализ результатов измерений технологических параметров агрегатов . 115
4.3.1. Устойчивость хода плуга и культиватора по глубине 115
4.3.2. Качество заделки растительной массы 117
4.3.3. Гребнистость поверхности поля после вспашки 117
4.3.4. Крошение пласта почвы 120
4.3.5. Кинематические показатели пахотных и культиваторных агрегатов 123
4.4. Анализ результатов оптшлизации параметров и режимов движения почвообрабатывающих агрегатов 125
4.5. Экономическая эффективность оптимизации параметров и режимов движения почвообрабатывающих агрегатов
в условиях Н.Р.Бангладеш 132
4.5.1. Оценка экономической эффективности применения трактора T3-4K-I4 в крестьянских хозяйствах Н.Р.Бангладеш 133
Общие выводы 138
Литература 140
Приложения 156
- Особенности природно-производственных условий Н.Р.Бангладеш
- Обоснование оптимальной мощности, ширины захвата и скорости движения почвообрабатывающих агрегатов
- Описание объектов и приборов для экспериментальных исследований
- Анализ результатов измерений физико-механических свойств типичных почв Н.Р.Бангладеш
Введение к работе
Во втором пятилетнем плане (I980-1985 гг) правительство Н.Р.Бангладеш выдвинуло новые задачи подъема сельского хозяйства страны: повышение технической вооруженности сельскохозяйственного труда, повышение профессионального мастерства сельских тружеников, внедрение прогрессивных форм организации труда и др. Все эти мероприятия направлены на обеспечение потребности населения в продуктах питания за счет увеличения производства сельскохозяйственной продукции к концу 1985 года примерно в два раза. Для достижения этой цели и развития отрасли выделено около 30$ средств бюджета второй пятилетки. Основными задачами, вытекающими из программы пятилетнего плана, являются: повышение производительности труда на 20%; рост продуктивности каждого гектара сельскохозяйственных угодий; повышение экономичности и эффективности использования сельскохозяйственной техники; уменьшение затрат труда и денежных средств на единицу продукции при непрерывном общем увеличении количества производимых продуктов /180/. Из программы четко проявляется также тенденция опережающего увеличения производства сельскохозяйственной продукции по сравнению с ростом населения, изменение условий труда и жизни бенгальского крестьянства, улучшение его жилищных и культурно-бытовых условий.
В центре экономической и политической жизни Н.Р.Бангладеш стоит задача обеспечения самостоятельного экономического развития страны. В связи с этим особое значение приобретает вопрос о резком увеличении сельскохозяйственного производства, без чего невозможно ни решение еще весьма острой продовольственной проблемы, ни изыскание внутренних ресурсов для индустриализации страны.
Сельское хозяйство - главная отрасль экономики Н.Р.Бангладеш. Значение этой отрасли в экономике страны трудно переоценить. По
подсчетам экономистов от сельского хозяйства прямо или косвенно зависит существование 90$ жителей страны, в нем занято 80$ экономически активного населения и создается 55-60$ валового национального продукта /121,176/. Экстенсивное расширение площади пашни сельского хозяйства в настоящий период полностью исчерпано или существенно ограничено. Наша страна, как известно, располагает земельным фондом сельскохозяйственных угодий около 9,1 млн га/160/, Уже практически невозможно заметное расширение посевных площадей. В связи с ростом населения и расширением объема строительства площадь пашни в расчете на одного человека ежегодно уменьшается. В результате длительного колониального господства заморских эксплуататоров сельское хозяйство в Бангладеш все еще является отсталым. Процесс механизации сельскохозяйственного производства фактически начался лишь после освобождения Бангладеш в 1971 году от колонизаторов и многолетнего неравноправного положения в составе Пакистана.
Сельское хозяйство не просто ведущая или главная отрасль, а основа основ народного хозяйства Бангладеш. Чтобы обеспечить население высококачественными продовольственными товарами и питанием, а быстро развивающуюся промышленность сырьем, необходимы постоянные высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Для достижения этой цели нужно рационально использовать все земельные ресурсы, что требует широкого применения механизации в сельском хозяйстве. Высокоэффективное использование средств механизации является решающим фактором в производстве сельскохозяйственной продукции.
Уровень производства сельскохозяйственных культур во многом определяется системой обработки почвы, являющейся важнейшим агротехническим фактором. Без правильной обработки почвы невозможно применить весь комплекс агротехнических мероприятий, которые при
рациональном сочетании ведут к единой цели - к повышению плодородия почвы. Обработка почвы, будучи составным звеном целой цепи агротехнических приемов, является фундаментом земледелия. В современных условиях приемы обработки почвы становятся все более сложными и разнообразными, с использованием новых энергетических средств. В настоящее время наиболее высокий уровень механизации обработки почвы достигнут в СССР (около 90-95$), в то время как в Н.Р.Бангладеш он не превышает пока 15-20$.
Известно, что вспашка и культивация являются одними из наиболее трудоемких и энергоемких технологических операций в сельскохозяйственном производстве.
На обработку почвы расходуется около 30$ энергетических и 25-27$ трудовых затрат от всего комплекса полевых работ, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур /18/.
Среди всех технологических процессов, применяемых в сельском хозяйстве при почвенно-климатических условиях Н.Р.Бангладеш, наиболее трудоемкой является обработка почвы. Эта операция в настоящее время выполняется в большинстве хозяйств с использованием буйволов, быков и деревянных орудий. Основной перспективной тенденцией в развитии средств механизации обработки почвы является применение тракторов класса 2-6кН и мотоблоков. При этом значительно сокращаются сроки обработки почвы, улучшается качество работы и увеличивается до 20$ урожайность сельскохозяйственных культур.
Учитывая, что общая площадь пахотных земель в Бангладеш ограничена, проблема снижения затрат труда и себестоимости выполняемых механизированных работ, а также повышение производительности пахотных агрегатов имеет исключительно большое значение для интенсификации сельскохозяйственного производства.
В заявлении главы правительства Н.Р.Бангладеш от 17 марта
1983 г "О дальнейшем развитии сельского хозяйства республики", приводится ряд мероприятий по положительному решению задачи механизации сельскохозяйственного производства, электрификации, химизации и мелиорации земель на современном этапе для получения трех урожаев в год /154/.
Повышение эффективности использования почвообрабатывающих агрегатов требует совершенствования методов их эксплуатации и оптимизации структуры, а также улучшения эксплуатационных свойств, оптимизации параметров и режимов работы с учетом условий их использования. Ускорение темпов научно-исследовательских работ по каждому из этих направлений и повышение их эффективности представляет собой важную научно-техническую проблему. Решение большинства входящих в нее задач базируется на экспериментальных данных о показателях работы этих агрегатов и входящих в них компонентов. При этом требуется информация о поведении этих объектов при всех возможных сочетаниях условий и режимов их работы.
Почвообрабатывающие машины имеют наибольшее число вариантов агрегатирования, при этом около 53,1$ годового объема полевых работ связано с обработкой почвы /150/.
Следовательно, для почвообрабатывающих агрегатов оптимизация их состава, параметров и режимов работы применительно к условиям Н.Р.Бангладеш имеет актуальное научное'и практическое значение.
Особенности природно-производственных условий Н.Р.Бангладеш
Климат Бангладеш жаркий и влажный, типичный для зоны экваториальных муссонов. Лето жаркое и влажное, зима сравнительно прохладная и сухая. В период муссонов и циклонов прибрежные районы сильно страдают от наводнений. Среднемесячная температура колеблется между 18,7 С и 28,5С. Крайние температуры колеблются между 8,6С и 36,3С (рис.1.2) /101, 153/.
Бангладеш занимает одно из первых мест в мире по количеству атмосферных осадков. Самый дождливый месяц - июль, количество осадков достигает 90,9 см; миншлальное количество осадков выпадает в декабре (рис.1.3). Среднемесячное количество атмосферных осадков колеблется между 0,5 и 44,8 см. Среднегодовое количество осадков 216,9 см, максимальное достигает 345,6 см. В течение года осадки выпадают очень неравномерно. Высокие температуры, обилие солнечного света и большое количество осадков дают возможность возделывать теплолюбивые культуры, обеспечивают растениям кругло годичный вегетационный период и позволяют получать два-три урожая в год.
Около 90$ почв Бенгальской низменности принадлежит к молодым аллювиальным почвам. Они содержат илистые материалы и некоторое количество гумуса. Ежегодно речные наносы восстанавливают их плодородие. Они отличаются рыхлостью (удельное сопротивление от 39 до 49 кПа). Это облегчает их обработку.
Старые аллювиальные почвы, расположенные на севере Бангладеш принадлежат к подтипам глинистых и суглинистых почв, крайне бедны гумусом, недостаточно в них и фосфорных соединений. Большое содержание глины делает их тяжелыми для обработки Л 36/.
Почти на всех типах почв преобладают посевы риса. Вместе с тем тип почвы оказывает определенное влияние на размещение других культур. Песчаные "высокие" земли, как правило, в основном заняты под овощными и бобовыми культурами. Супесчаные и суглинистые почвы, не очень сильно затопляемые в половодье, особенно пригодны для возделывания джута. Районы возделывания основных с.-х. культур показаны на карте Н.Р.Бангладеш (рис.1.1).
Благодаря ежегодным речным наносам, почвы, несмотря на частое отсутствие севооборотов, быстро восстанавливают плодородие. Хорошо откливаются они на химические, прежде всего, азотные удобрения, внесение которых в правильных пропорциях заметно повышает урожайность.
Как известно, сельское хозяйство в экономике Н.Р.Бангладеш является ведущей отраслью, но развитие его еще является отсталым. Бангладеш более двух веков находилась в колониальной зависимости от Британской империи и около 25 лет от Пакистана, которые тормозили самостоятельное экономическое и техническое развитие страны. Только после освобождения от колониальной зависимости стало возможным повышение уровня сельскохозяйственного производства. При выполнении полевых работ при возделывании сельскохозяйственных культур широко используется живое тягло и ручной труд. Уровень механизации труда низкий. Вследствие этого имеет место низкая урожайность с.-х. культур.
Процесс механизации сельскохозяйственного производства Бангладеш в настоящее время фактически только начался. Поэтому, несмотря на то, что 80$ рабочих сил страны занято в сельском хозяйстве, в напряженные периоды рабочих сил не хватает, сроки выполнения работ недопустимо удлиняются, что приводит к потере урожая и повышению его стоимости. В табл.1.1 показано в какой степени сельское хозяйство влияет на экономику страны /155/.
Обоснование оптимальной мощности, ширины захвата и скорости движения почвообрабатывающих агрегатов
Структурно-функциональный аспект системного подхода предполагает по крайней мере три уровня рассмотрения системы - задание структуры на уровне абстрактных объектов, второй - исследование конкретных связей, третий - исследование операций /60/.
Обычно при испытаниях проводят оценку значений различных показателей, при некоторых заданных уровнях независимых факторов (параметрах машин, настройке, скорости движения, кинематических режимов рабочих органов, глубине обработки и т.п.).
Представляет интерес и установление общих закономерностей функционирования комплексов и системы машин, причем поведение подсистем рассматривается как частное свойство. При этом, согласно особенностям кибернетического подхода, необходимо осуществлять контроль внешних и внутренних характеристик работы системы, учитывать возможное управление этими процессами.
Изучение механизма явлений при взаимодействии рабочих органов с обрабатываемым материалом полезно не только с технологической и общеинженерной точек зрения, но и значительно облегчает построение методик испытаний, предостерегает от грубых ошибок.
При испытаниях важно выработать надежную оценку базовых параметров новых конструкций машин и их комплексов, например, ширины захвата, установленной мощности двигателя и других технико-эксплуатационных параметров, а также общей экономической эффективности как функции или функционала от базовых параметров и характерных условий эксплуатации /21,57,109/.
Основными этапами системного метода испытаний должны являться классификация и установление структуры (структуризация) рассматриваемых систем, выбор ограниченного числа критериев и выявление связей между показателями эффективности, естественно-производственными условиями эксплуатации, технико-технологическими свойствами обрабатываемого материала, режимами работы и параметрами испытываемых машин (параметризация), что может быть достигнуто лишь построением соответствующих математических моделей.
Однако практическое использование накопленных знаний сопряжено с серьезными трудностями, вызванными специфическими особенностями сельскохозяйственных процессов (качественной и количественной зависимостью показателей эффективности от весьма изменчивых, случайным образом варьирующих внешних естественно-производственных условий, изменяющихся в пространстве и во времени; непостоянством во времени параметров естественно-производственных условий - непрекращающимся трендом средних значений и неуправляемым изменением структуры показателей внешних условий; высоким уровнем помех, в том числе от неконтролируемых возмущений и др.).
Отмеченные особенности внешних условий и показателей работы машин, многомерность и ярко выраженная вероятностная природа, многообразие действующих факторов и широкий диапазон их варьирования приводят к тому, что рассматриваемые системы являются сильно диффузными.
В этих условиях значительно возрастает роль комплексного подхода к решению задач испытаний, основанного как на изучении естественно-производственных условий, физико-технологических свойст обрабатываемых материалов и протекающих механико-технологических условий, так и на построении математических моделей процессов с использованием известных постулированных механизмом явлений, расширяющих возможности изучения процессов методами моделирования.
Для решения поставленных задач необходимо располагать исчерпывающими сведениями о естественно-производственных, физико-технологических свойствах объектов обработки и внешних условиях работы машин, а также арсеналом теоретических и экспериментальных методов построения и исследования моделей процессов с применением методики планирования экспериментов, математической обработки и интерпретации результатов и стандартными процедурами математического моделирования.
При оценке показателей работы испытываемых машин и построении моделей различных процессов необходимо проводить усреднения. В связи с этим следует обратить внимание на правильное определение множеств характеристик внешних условий и режимов работы, относительно которых осуществляется усреднение определяемых показателей.
Для построения методик, планов экспериментов, и в конечном счете математических моделей изучаемых процессов требуется достаточно точно определить понятие состояния внешних условий и функционирования испытываемых технических средств.
После постановки задач очередным этапом системного анализа является структуризация /33/. В качестве основных составных частей можно выделить собственно сельскохозяйственные машины ж орудия, их рабочие органы, энергетические средства, внешнюю среду, а также производственный коллектив рабочих и средства управления. Составные части системы в каждом конкретном случае легко расчленить на элементы, а их взаимодействие с обрабатываемым материалом или внешней средой рассматривать в виде элементарных воздействий.
Описание объектов и приборов для экспериментальных исследований
В соответствии с задачами экспериментальных исследований выбрано рисовое поле опытной станции Сельскохозяйственного университета Бангладеш, где определяли физико-механические свойства почвы (влажность, твердость и плотность). Изучение кинематических показателей, хронометражные наблюдения при вспашке и культивации осуществлялись на опытных станциях ТСХА..
В качестве рабочих машин и орудий были использованы плуг ПОН-25 и культиватор 5-КН-85 с трактором T3-4K-I4. Технические характеристики трактора и рабочих машин представлены в табл.3.1, 3.2 и 3.3 /54/. Показатели производственных условий СССР и ЇЇ.Р. Бангладеш показываются в таблицах 3.4 и 3.5.
В соответствии с задачами экспериментальных исследований были использованы следующие установки и приборы.
Тензометрическое оборудование: Для определения крутящих моментов на четырех ведущих колесах трактора T3-4K-I4 было использовано тензометрическое оборудование, которое включает: - двенадцатиканальный магнитоэлектрический осциллограф KI2-22 (представляет собой регистрирующий прибор магнитоэлектрической системы с оптической записью на фотоленте двенадцати исследуемых процессов, преобразованных в электрические величины. Осциллограф предназначен для летных и стендовых испытаний техники), теязомет-рический усилитель ТОПАЗ-3, щит управления, источник питания, токосъемники (рис.3.4).
Магнитоэлектрический осциллограф имеет 12 шлейфов и может регистрировать одновременно 12 процессов. Осциллограф имеет восемь гальванометров НУ-84 типов: I, П, Ш, Ша, ІУ, У, УІ, УШ соответственно чувствительностью 0,21, 0,57, 2,37, 9,5, 33,2, 285, 575 и 1045 мм/мА.
Запас фотобумаги в кассете составляет 20 3 м, скорость движения ленты 16 мм/с. Осциллограф сохраняет работоспособность в диапазоне температур от -60 до +50С. Прочее оборудование. При проведении экспериментальных исследований применялись бюксы, бур, весы аналитические и чашечные, весы почтовые на 50 кг, рулетка на 20 метров, секундомер, колы, твердомер (конструкции Ю.Ю.Ревякина), мерный бачок топлива, бороздомер, угломер и др.
Общий вид полевых испытаний для определения физико-механических свойств почвы в условиях Н.Р.Бангладеш представлен на рис. 3.5 и 3.6.
Основными энергетическими показателями являются моменты Ш на полуосях ведущих колес трактора. Для измерения этих моментов на полуосях трактора T3-4K-I4 были наклеены тензодатчики /89,112/ типа 2ІЖБ-Т-20-200 (по 16 шт.) (рис.3.7).
С усилителем датчики скоммутированы через концевые ртутно-амальгамированные токосъемники типа трак-6, имеющие отметики оборотов и закрепленные между полуосями трактора и подпружинными кронштейнами. Усиление и запись параметров осуществляли с помощью усилителя ТОШ.3-3 и осциллографа КІ2-22, установленных на тракторе (рис.3.8).
Питание усилителя (12V) и осциллографа (24V ) осуществляли от двух аккумуляторов 6СТМ-50, закрепленных под сидением тракториста (рис.3.9).
Используемый тензоусилитель предназначен для усиления выходного сигнала тензометрических датчиков, собранных по мостовой схеме. Диапазон рабочих температур теязоусилителя составляет -10... +40С. Основная приведенная погрешность усилителя не превышает 2%. При этом усилитель может работать в условиях вибрации и тряски. Усилитель имеет стабилизатор напряжения для питания тензодатчиков 4,5V и 9V , потенциометры и измерительный прибор для балансировки мостов, осуществляемой по отдельным каналам с помощью переключателя. К положительным качествам усилителя следует также отнести наличие переключателей полярности и масштаба сигнала, что существенно упрощает коммутацию /66, 87, 88, 108, III/.
Из двенадцати гальванометров осциллографа были задействованы десять: четыре для отметки моментов (Mfjp % %3» %4 и четыРе для отметки оборотов H j, Пк2 ПкЗ Пк4) на четыРех ведущих колесах, остальные для отметки нулевой линии моментов.
Анализ результатов измерений физико-механических свойств типичных почв Н.Р.Бангладеш
Экспериментальные исследования проводили на полях опытного хозяйства Сельскохозяйственного Университета Бангладеш в апреле 1983 года.
Тип почв - суглинистые. Опытный участок характеризуется ровным рельефом при угле склона, близком к нулю. Опыты проводили на двух почвенных фонах: на стерне и на вспаханном поле. Следует отметить, что покзатели твердости Н и плотности Р почвенного фона изменяются в зависимости от погоды и атмосферных осадков. В связи с этим опыты на одном фоне проводили в течение одного дня. Твердость и плотность почвы определяли до и после вспашки и культивации. Результаты обработки статистической информации приведены в табл. 4.1 ... 4.7 и-на .рис. 4.1 ... 4.2. В процессе обработки опытных данных определялись: математическое ожидание Q , среднее квадратическое отклонение & , коэффициент вариации г? , точности измерения fj по формулам (3.18)...(3.21) и (3.4)...(3.5) /24, 37, 42, 56, 75/.
Опытные данные в табл. (4.1) и (4.7) показывают, что твердость почвы до вспашки изменяется в диапазоне 1,00...6,00 МПа при среднем значении 2,83 МПа, который занимает 30$ всех замеров. Твердость почвы после вспашки и культивации изменяется в диапазоне 0,25...1,80 МПа (рис.4.2, табл.4.2 и 4.3). Таблицы 4.4....4.6 показывают, что плотность почвы изменяется в пределах: 1500.. .2000ку і - до вспашки; 1300... 1900 кг/м- после вспашки; 1100... 1600 кг/м-после культивации. Это показывает, что диапазон изменения плотности почвы остается почти неизменным. Из анализа можно сделать выводы, что твердость почвы после вспашки чрезвычайно изменяется, а не плотность. Как отмечалось, показатель почвы р имеет большую статистическую устойчивость, чем твердость почвы (рис.4.1 и 4.2).
Таблица 4.7 показывает, что коэффициент вариации твердости почвы до вспашки 24,27$, а после вспашки и культивации соответственно 67,59 и 62,17$. Это объясняется тем, что после вспашки твердость слоя почвы становится неравномерной, т.е. неровно обработки почвы. А после культивации коэффициент 1 не очень изменяется. Это значит, что слой почвы ровно обрабатывается и твердость почвы в разных точках изменяется в малом диапазоне.
Большое значение показателя твердости ( 1 ) объясняется неоднородностью обрабатываемого слоя и погрешностью, вызванной нелейностыо функции тангенса to при обработке твердограмм.
Коэффициент вариации плотности почвы ( "Of ) изменяется до вспашки, после вспашки и после культивации в диапазоне 6,10... 6,64$, это объясняется тем, что при обработке плотность почвы становится почти однородной. Исходные данные в табл.4.7 показывают, что твердость и плотность почвы снижаются как после вспашки, так и после культивации. Анализ результатов физико-механических свойств почвы (твердость и плотность) показывают, что при вспашке и культивации твердость почвы в большей мере влияет на тяговое сопротивление почвообрабатывающих агрегатов, чем плотность. Поэтому при полевых испытаниях любых с.х. машин требуется определить твердость и плотность почвы вне зависимости от длины гона опытного участка.
Как указывалось ранее, целью энергетических исследований агрегатов методом тензометрирования являлось получение необходимой исходной информации для практических оптимизационных расчетов. Условия энергетических испытаний были выбраны таким образом, чтобы они были максимально приближены к почвенным условиям Н.Р.Бангладеш в соответствии с данными табл.4.7.
Указанным условиям в наибольшей степени удовлетворяют опытные поля ТСХА., характеризуемые данными, приведенными в табл 3.4. Таблица 3.4 показывает, что диапазон плотности суглинистой почвы почти одинакова, но твердость почвы в Н.Р.Бангладеш больше, чем в СССР, потому, что период проведения экспериментов характеризовался ненормальным выпадением осадков.
В результате обработки данных тензометрирования на стерне и вспаханном поле построены кривые буксования в функции коэффициентов использования эксплуатационного веса трактора <р (рис.4.3).
