Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1. Подсев трав и условия, определяющие его эффективность 11
1.2. Анализ средств механизации для подсева трав и внесения удобрений в дернину. 18
1.3. Обзор научно-исследовательских работ по изучению ротационных бороздовскрывателей 37
1.4. Классификация бороздовскрывателей сеялок прямого посева 41
1.5. Цель и задачи исследования 49
2.' ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ Б0Р03Д0ВСКРЫВАТЕЛЯ СЕЯЛКИ ПРЯМОГО ПОСЕВА 51
2.1. Агротехническое и технологическое обоснование, конструктивных параметров и скоростного режима работы лопастного эллиптического бороздовскрывателя 51
2.1.1. Технологические свойства дернины 51
2.1.2. Обоснование диаметра бороздовскрывателя и соотношения полуосей эллиптической лопасти 55
2.1.3. Предпосылки к обоснованию количества лопастей и критерия выбора скоростного режима работы бороздовскрывателя 61
2.2. Исследование кинематики лопастного эллиптического бороздовскрывателя 63
2.2.1. Уравнение движения точки режущей кромки лопасти бороздовскрывателя .. 63
2.2.2. Определение абсолютной скорости резания 65
2.2.3. Определение длины траектории движения частицы почвы при воздействии на нее режущей кромки бороздовскрывателя 74
2.2.4. Стружка, ее форма и параметры 76
3. СИЛОВОЙ АНАЛИЗ БОРОЗДОВСКРЫВАТЕЛЯ -81
3.1. Расчетная схема бороздовскрывателя 81
3.2. Определение движущей силы эллиптического, лопастного бороздовскрывателя 83
3.2.1. Определение горизонтальной составляющей реакций сил трения и прилипания почвы 85
3.2.2. Определение горизонтальной составляющей реакции резания почвы 88
3.2.3. Определение реакции резания лезвием малой полуоси эллиптической лопасти .92
3.2.4. Определение горизонтальной составляющей реакции сдвига почвы 92
3.3. Определение выглубляющей силы бороздовскрывателя 100
3.3.1. Определение вертикальных реакций трения и прилипания почвы о боковую поверхность лопасти 100
3.3.2. Определение вертикальной реакции резания лезвием режущей кромки лопасти ... 101
3.3.3. Определение вертикальной реакции резания лезвием малой полуоси лопасти Д02
3.4. Определение осевой силы бороздовскрывателя 103
3.5. Теоретическое определение момента сопротивления и мощности на обработку почвы бороздовскрывателем с эллиптическими лопастями 105
3.6. Влияние конструктивных параметров и скоростного режима работы бороздовскрывателя на изменение силовых и энергетических показателей 108
3.6.1. Зависимость движущей силы бороздовскрывателя от угла поворота лопасти относительно оси вала 108
3.6.2. Зависимость движущей силы бороздовскрывателя от угла JS и кинематического коэффициента А 112
3.6.3. Зависимость выглубляющей силы бороздовскрывателя от угла J3 и кинематического коэффициента Л Ц9
3.6.4. Зависимость осевой реакции бороздовскрывателя от изменения угла отклонения большой полуоси от вертикали и кинематического коэффициента "і -... 127
3.6.5.Изменение момента сопротивления и потребной мощности на обработку дернины эллиптическим . лопастным бороздовскрывателем 129
4. МЕТОДИКА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 134
4.1. Программа экспериментальных исследований 134
4.2. Описание конструкции экспериментальной лабораторной установки .* 136
4.3. Методика проведения лабораторных исследований 139
4.3.1. Исследование формы борозды 139
4.3.2. Исследование формы стружки 140
4.3.3. Исследование работы эллипсовидного лопастного бороздовскрывателя методом скоростной кино съемки 140
4.4. Описание полевой экспериментальной установки 141
4.5. Планирование факторного эксперимента 147
4.6. Описание конструкции макетного образца экспериментальной дернинной сеялки 148
4.7. Методика экспериментального определения величины движущей силы, развиваемой эллипсовидными лопастными бороздовскрывателями 153
4.8. Методика обработки экспериментальных данных 154
4.9. Методика определения погрешностей результатов опытов 155
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 158
5.1. Основные результаты лабораторных исследований 158
5.2. Реализация многофакторного эксперимента 163
5.3. Агротехнические показатели работы эллиптического лопастного бороздовскрывателя 165
5.4. Влияние угла отклонения большой полуоси лопасти от вертикали на силовые и энергетические параметры бороздовскрывателя 173
5.5. Влияние подачи на лопасть на силовые и энергетические показатели работы бороздовскрывателя 178
6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ДЕРНИНН0| СЕЯЛКИ ДЛЯ ПОДСЕВА СВДН ТРАВ И ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ 183
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 191
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 194
ПРИЛОЖЕНИЯ 205
- Подсев трав и условия, определяющие его эффективность
- Агротехническое и технологическое обоснование, конструктивных параметров и скоростного режима работы лопастного эллиптического бороздовскрывателя
- Расчетная схема бороздовскрывателя
- Программа экспериментальных исследований
- Основные результаты лабораторных исследований
Введение к работе
Для успешного развития животноводства необходимо создание прочной кормовой базы. Продовольственной программой СССР пред-.. усмотрено обеспечить производство кормов в стране в 1985 г. в количестве 500 млн.т и в 1990 г. - 540...550 млн.т кормовых единиц, довести в 1990 г. заготовку сена до 1(10...ПО млн.т [і].
Важная роль в решении этих задач отводится естественным сенокосам и пастбищам', площадь которых в нашей стране на I ноября 1980 г. составляла 373,7 млн.га. Это в пять раз превышает площадь пашни над кормовыми культурами. Однако, валовый сбор кормов с естественных кормовых угодий небольшой, что объясняется их низкой продуктивностью: урожай сенокосных угодий составляет 6,8 ц сена, пастбищ - 4...4,5 ц с I га /в переводе на сено/.
Сельскохозяйственной наукой и передовой практикой доказано, что продуктивность кормовых угодий может быть значительно повышена их улучшением. Октябрьский /1984 г./ Пленум ЦК КПСС подчеркнул: "... за повышение продуктивности всех лугов и пастбищ надо браться безотлагательно,всеми силами и со всей настойчивостью" [2] .
В общей сложности малопродуктивных кормовых угодий, требующих улучшения, в стране насчитывается около 100 млн.га [з] . Различают коренное и поверхностное улучшения. Коренное улучшение путем подъема и оборота пласта плугом или разделки почвы фрезерной машиной позволяет не только избавиться от старого травяного покрова, но и глубоко заделать семена сорняков и тем самым подавить их развитие. Фрезерование наиболее эффективно при ускоренном залужений, однако оно не находит широкого применения из-за большой энергоемкости и низ-
кой производительности фрезерных машин и, как следствие', высокой стоимости работ. Способ улучшения пастбищ вспашкой с оборотом пласта является основным. Он продолжителен и требует больших затрат рабочего времени, на почвах с малым гумусовым слоем вообще не рекомендуется, потому что вместе с.дерниной на дно борозды сбрасывается наиболее плодородный' слой, а подпочва выносится на поверхность.
При поверхностном улучшении без сплошного разрушения дернины подсевают наиболее ценные в кормовом отношении травы, вносят удобрения. Это рекомендуется при содержании в травостое не менее 35...45^ бобовых и злаковых, на участках с мелким пахотным горизонтом, при наличии, каменистой подпочвы и там, где уничтожение дернины, даже временное, может вызвать эрозию почвы.
Одна из основных мероприятий поверхностного улучшения является подсев трав в дернину. Подсев производится специальными сеялками," а также зерновыми сеялками, используемыми при "нулевой" обработке почвы. Специальные машины в зависимости от способа обработки дернины и типа рабочих органов классифицируются на сеялки дисково-сошникового типа, .чизелъ-ные и модифицированные почвофрезы.
. У машин первого типа впереди высевающих сошников установлены дисковые ножи, предназначенные для предварительного нарезания в почве щели. В почве образуются \1 - образные углубления, в которые высеваются семена трав. Дисковые ножи бывают плоские и гофрированные. Последние обладают большой активностью воздействия на пласт и лучше самоочищаются.
Машины второго типа с чизельними лапами и анкерными сошниками применяют на плотных почвах. Однако при этом дернина пло-
хо крошится, в борозде образуются воздушные карманы, иссушающие верхний слой почвы. Установка впереди, лапы дискового ножа, разрезающего дернину, несколько снижает тяговое сопротивление, улучшает условие работы сошника.
У машин третьего типа приводные диски, установленные впереди высевающих рабочих органов, нарезают в дернине узкие /1,5.. ..5,О/см/ борозды, в которые высеваются семена, а затем рядки прикатываются. При такой обработке обеспечивается необходимая подготовка семенного ложа и укрытие семян мульчирующей почвой, не нарушается основной дерновой покров пастбища и исключается эрозия почвы, что особенно важно на склонах. Так как диск имеет небольшую толщину /0,5...0,7 см/, то для образования борозды указанной ширины он устанавливается на валу под утлом к оси вращения или оснащена по периферии сегментами, отогнутыми попеременно в противоположные стороны.
Диск, установленных! под углом к оси вала, за каждый оборот совершает качательное движение относительно продольно-вертикальной плоскости симметрии борозды. При этом глубина обработ- -ки по ширине борозды-непостоянная, величина окружной скорости и силы резания также не остаются постоянными. Рабочий орган испытывает знакопеременные осевые усилия.
Применение диска, оснащенного сегментами, позволяет снизить потребную частоту вращения бороздовскрывающего рабочего органа, но он склонен забиваться растрхтельностыо, его нельзя применять для обработки каменистых-почв.
Активный бороздовскрыватель с эллиптическими лопастями, на наш взгляд, лишен этих недостатков. Лопасть формирует стружку преимущественно деформацией резания, которая является найме-
нее энергоемким видом деформации при обработке дернины.. В процессе взаимодействия лопасти с почвой окружная скорость резания и глубина обработки по ширине остаются постоянными.
Стенки борозды не уплотняются. При установке на вал двух рабочих органов с лопастями, отклоненными в противоположные стороны от плоскости вращения, осевая сила их взаимно уравновешивается. Кроме того, применение в бороздовскрывателе режущего элемента с цельным лезвием позволяет рабочему органу выглубляться из.почвы при наезде на'препятствия. Последовательный вход с почву точек лезвия лопасти способствует равномерной загрузке механизмов привода рабочего органа. Так как рабочая длина лезвия лопасти бороздовскрывателя гораздо больше аналогичного показателя фрезерного Г - образного ножа, при прочих равных условиях, износ лопасти будет меньше,'чем ножа.
Обоснование технологических, конструктивных параметров и режимов работы эллиптического лопастного бороздовскрывателя дернинной сеялки по критериям качества и энергозатрат является основным содержанием диссертационной работы.
На защиту выносятся следующие положения.
Методика агротехнического и технологического обоснования конструктивных параметров .и скоростного режима работы эллиптического лопастного бороздовскрывателя дернинной сеялки.
Результаты исследования кинематики активного бороздовскрывателя.
Силовой анализ работы бороздовскрывателя. /Определение движущей, выглубляющей и осевой сил рабочего органа/.
Обоснование взаимосвязей качественных и энергетических показателей разработанного бороздовскрывателя дернинной сеялки с физико-механическими свойствами дернины, конструктивными
и скоростными параметрами.
Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин Саратовского ордена "Знак Почета" института механизации сель- ' ского хозяйства имени М.И.Калинина, -экспериментальные исследования проведены на кафедре "Тракторы и автомобили" Чувашского сельскохозяйственного института.
- II -
Подсев трав и условия, определяющие его эффективность
Подсев трав необходим после удаления с естественных кормовых угодий кочек, кустарников, на обнаженных местах, на выбитых пастбищах, сенокосных участках, на пойменных лугах сизреженным травостоем [4, 5, 6, 7] .
Подсев трав следует проводить в первую очередь на малопригодных для многократной обработки, неудобных по контуру, имеющих небольшой пахотный слой и особо подверженных водной эрозии, крутых склонах /а в условиях Нечерноземья РСФСР на склонах ов-рагов расположено более Ь0% площадей пастбищ и около 10...15 % площадей сенокосов fe] /. Создавая в короткий срок упругий,крепкий на разрыв дерн, травы обеспечивают надежную защиту склонов от размывающего действия воды. Если смыв с обработанной под зябь или пар почвы принять за 10 0$, то с участков, занятых многолетними травами, он не будет превышать 0,0 то есть практически равен нулю. 60-одетровая луговая полоса задерживает 85...90% снесенного с пашни мелкозема [ 5] .
Особого внимания заслуживает подсев бобовых трав. На природных кормовых угодьях их обычно встречается очень мало, в среднем они составляют не более 5...10% урожая сена [9,10] .На сеяных же сенокосах.и пастбищах бобовые растения, входящие в травосмесь при посеве, через 2...4 года почти полностью выпадают из травостоя» [II, 12] . Это приводит к снижению поедае-мости пастбищного корма и ухудшению качества сена.
Поэтому в целях улучшения качества сена и пастбищного кор-ма, а также снижения потребности в азотном удобрении требуется периодически проводить подсев бобовых трав. По мнению С.П.Сме-лова [13] "... малого количества экземпляров бывает нередко до-, статочно, чтобы поддерживать видовой состав". Вместе с тем, возобновление травостоя из семян способствует в известной степени омоложению трав, повышению их жизненности, которая снижается в процессе вегетативного воспроизведения. В этом, по утверждению С.П.Смелова, прежде всего и заключается непосредственное значение семенного воспроизведения, а не в повышении урожая, как ошибочно считали ранее некоторые исследователи.
Опыт улучшения кормовых угодий подсевом трав в дернину показывает, что луговые сообщества не допускают полного развития или опавших семян, хотя их всходов может быть в.10...100 раз больше числа взрослых растении [14] . В полевых условиях прорастает в среднем 60...70% семян злаковых трав, 52...57% семян бобовых, показавших при лабораторных исследованиях стопроцентную всхожесть. Установлено, что 60...77% молодых растений разнотравного луга погибает в возрасте до одного года, 10...12%-на втором году жизни, 5...10% - на третьем году жизни. В дальнейшем отмирание молодняка резко сокращается [15, 16] . Исследованием приживаемости всходов подсеяных трав занимался также Н.И.Рыжов [14] . По его данным, 25...30% всходов погибает уже в первые два месяца жизни.
Агротехническое и технологическое обоснование, конструктивных параметров и скоростного режима работы лопастного эллиптического бороздовскрывателя
Известно, что основанием для выбора конструктивных и режимных параметров рабочих органов сельскохозяйственных машин являются агротребования на_ выполнение технологического процесса.
Основные положения агротребований на подготовку дернины под посев семян трав и внесение удобрений сводятся к следующему. Допускается содержание в измельченной дернине кусков наибольшим поперечным размером более 50 мм в пределах 3...5 %, комков, размером менее 30 мм - 80%. Ширина борозды при условии применения гербицидов для подавления конкуренции: имеющейся растительности должна составлять 1,9...3,7 см; без гербицидов - 6...10 см. Глубина борозды - 3...6 см, но не менее толщины задернелого слоя.
Борозда в плане - прягло линейная, вид в профиль - прямоугольный. Дно борозды в поперечном сечении - ровное, высота гребней дна борозды - не более 20% от глубины обработки.
Исходя из требований почвозащитной технологии, показатель распаханности склона не должен превышать 60% при крутизне склона 17...20.
Расчетная схема бороздовскрывателя
На рис. 3.1 представлена расчетная схема секции бороздовскрывателя . с приложенными к ней силами и реакциями. G- - суммарная сила тяжести секции и силы упругости, нагружающей пружи-ны„ условно приложенная к оси вращения бороздовскрывателей;
Q. - реакция со стороны рамы орудия, учитывающая силы сопротивления .качению опорно-приводных колес сеялки, катков, а также сопротивление сошника. Эта реакция направлена вдоль корпуса секции. На лопасть бороздовскрывателя действуют реакции дернины, которые- могут быть представлены в виде трех составляющих: вертикальной Ry , направленной вверх; горизонтальной ftx , направленной по; движению агрегата, и боковой R2 , направленной вдоль оси рабочего органа.
Спроектировав на оси координат силы и реакции, приложенные к секции бороздовскрывателя, получим.
Направление оси OX принято вдоль вектора поступательной скорости орудия, оси ОУ - вертикально вверх, оси 02 - вдоль оси вращения бороздовскрывателей.
Сила Fx выражает собой тяговое сопротивление орудия, величина этой силы зависит от горизонтальной составляющей результирующей реакции дернины R х Б случае вращения активных рабочих органов в направлении "сверху-вниз" реакция Rx. направлена в сто 82 Рис. 3.1. Схема действующих сил и реакций на бороздовскрывательрону вектора скорости поступательного движения и способствует движению агрегата в этом направлении, в связи, с чем и получила название "движущей" силы.
Сила fit/ является выглубляющей силой бороздовскрывателя. Из условия обеспечения равномерной глубины обработки необходимо, чтобы выполнялось неравенство Fy О , или, с учетом /3,1/, можем написать.
Здесь йу - вертикальная составляющая реакции со стороны рамы орудия.
Fa - осевая сила, которая вызывает боковой увод рабочего органа и ходовых колес агрегата. Нейтрализация этой силы достигается установкой на вал двух бороздовскрывателей с лопастями ориентированными в противоположные стороны от продольной плоскости симметрии секции. Сила F воспринимается лопастью рабочего органа, ее необходішо учитывать при расчетах лопасти на прочность.
Программа экспериментальных исследований
Основной целью экспериментальных исследований была проверка теоретических положений и выводов, а также накопление- фактического материала для обоснования практических рекомендации по использованию разработанного бороздовскрывателя комбинированной сеялки прямого посева по дернине.
Б соответствии с задачами исследований была составлена программа- экспериментальных исследований, которая включала:
I. Лабораторные исследования:
1. Проектирование и изготовление лабораторной экспериментальной установки для изучения качественных показателей бороздо-вскрывателя.
2. Исследование процесса вскрытия борозды эллиптическим лопастным бороздовскрывателем методом скоростной киносъемки.
II. Полевые исследования:
1. Проектирование и изготовление полевой экспериментальной установки.
Основные результаты лабораторных исследований
Целью первого этапа экспериментальных исследований было определение, качественных показателей работы эллипсовидного лопастного бороздовскрывателя: вид борозды в плане, ее форма в поперечном сечении, гребнистость дна борозды.
В результате лабораторных исследований установлено, что эллиптический бороздовскрыватель образует борозду, имеющую в поперечном сечении прямоугольный профиль /рис. 5.1/. Дно борозды по ширине ровное. Стенка борозды, образованная лезвием малой полуоси лопасти, имеет четко выраженный вертикальный срез. Противоположная стенка также вертикальна:, и имеют место, скалывания ее верхней части. В плане борозда представляет собой прямолинейную полосу постоянной ширины.
Лабораторные исследования подтвердили теоретические предпосылки о характере расположения гребней на дне борозды. Гребень располагается не перпендикулярно стенкам борозды, а вытянут вдоль направления поступательного движения. В плане гребень представляет собой дугу синусоиды. С ростом значения Л и соотношения размеров, полуосей лопасти расположение гребня приближается к поперечному.
В результате лабораторных исследований получили подтверждение предпосылки о форме стружки, образуемой лопастью бороздовскрывателя. Дневная поверхность стружки представляет собой четырехугольник, состоящий из двух отрезков прямых, соединенных дугами синусоиды. Ширина стружки постепенно уменьшается до нуля..
С целью изучения качественной стороны процесса вскрытия борозди исследуемым рабочим органом проведена скоростная киносъемка.
В результате покадрового анализа кинограммы установлено следующее. Лопасть входит в почву лезвием малой полуоси. При этом производится вертикальный надрез стенки борозды. Одновременно начинает работу основное лезвие режущей кромки лопасти. Оно отрезает стружку из монолита, образуя ее лобовую /переднюю/ поверхность. Вступление в работу основного лезвия растянуто во времени. Точки режущей кромки осуществляют последовательный вход в почву. Процесс отрезания стружки сопровождается ее сдвигом в направлении вектора абсолютной скорости. По мере поворота вала угол установки лопасти ко дну борозды уменьшается от SO0 до / 90-J3 /.-Появляется вертикальная составляющая абсолютной скорости. Поверхность сдвига стружки распола- . гается в направлении дневной поверхности почвы. При этом происходит скалывание верхней части стенки борозды. При дальнейшем повороте лопасти часть почвы выносится из борозды, другая часть, пересыпаясь через край лопасти, возвращается в борозду/рис.5.3/.
Покадровый анализ кинограммы взаимодействия лопасти и стружки почвы, а также визуальное наблюдение- за процессом вскрытия борозды при замедленном вращении рабочего органа привели к следующему выводу. Стружка взаимодействует с лопастью ; не всей вновь образуемой поверхностью, а только частью ее. Это происходит потому, что по мере поворота вала за счет реакции лопасти, а также под действием собственной силы тяжести, отрезанная от монолита часть стружки отходит от лопасти. Известно, что нож ротационного почвообрабатывающего рабочего органа в нижнем вертикальном положении практически заканчивает резание, если пренебречь высотой гребня.
