Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Особенности предпосевной обработки почвы для мелкосеменных культур . 6
1.2. Состояние и тенденции развития конструкций почвообрабатывающих катков 9
1.3. Анализ исследований по обоснованию параметров и режимов работы почвообрабатывающих катков 14
1.4. Анализ теоретических исследований процесса взаимодействия катка с почвой 19
1.5. Цель и задачи исследований , 26
Глава 2. Теоретические исследования 27
2.1. Модель системы «внешняя среда-почва-каток» 27
2.2. Кинематические параметры работы катков 31
2.2.1. Кинематика гладкого катка 35
2.2.2. Кинематика трубчатого катка 41
2.3. Обоснование параметров трубчатого катка 45
2.3.1. Шаг расстановки и количество цилиндрических трубчатых элементов 45
2.3.2. Определение наружного диаметра трубчатого катка 46
2.3.3. Обоснование диаметра трубчатых элементов „49
2.4. Энергетические параметры трубчатого катка 50
2.5. Математическая модель взаимодействия катка с почвой 55
2.5.1. Определение модуля деформации почвы , 58
2.5.2. Математическая модель состояния почвы 62
Глава 3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 68
3.1. Программа и методика проведения лабораторных исследований 68
3.2. Программа и методика полевых исследований 80
3.3. Методика обработки результатов исследований 83
Глава 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 84
4.1. Результаты лабораторных исследований 84
4.2. Результаты полевых исследований 103
4.3. Результаты производственных испытаний 121
Глава 5. Экономическая оценка 124
Общие выводы и предложения 129
Библиографический список 133
Приложения 149
- Анализ исследований по обоснованию параметров и режимов работы почвообрабатывающих катков
- Определение наружного диаметра трубчатого катка
- Программа и методика проведения лабораторных исследований
- Результаты лабораторных исследований
Введение к работе
з
Актуальность темы. Концепцией машинно-технологического обеспечения растениеводства предусматривается создание нового поколения максимально районированных машин для обработки почвы, созданных на основе системного подхода и адаптивности технологических воздействий в зависимости от зональных почвенно-климатических и агроландшафтных условий. Решение поставленной задачи должно базироваться на научных исследованиях процесса взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов с почвой.
Почвообрабатывающие катки, применяемые, как отдельные орудия, так и в составе комбинированных машин, имеют ряд недостатков и не обеспечивают качественного выполнения технологической операции предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры в соответствии с предъявляемыми агротехническими требованиями. Поэтому актуальной является задача обоснования технологических и конструктивных параметров и режимов работы почвообрабатывающего катка. Решение такой задачи должно осуществляться при системном подходе с учетом возделываемой культуры, условий функционирования катка, что важно для современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия.
Цель исследования. Обоснование технологических и конструктивных параметров и режимов работы почвообрабатывающего катка, обеспечивающего повышение качества и снижение энергозатрат на выполнение технологического процесса предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры.
Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия почвообрабатывающего катка с почвой при предпосевной обработке почвы под мелкосеменные культуры.
Научная новизна. Теоретически обоснован кинематический режим работы приводного почвообрабатывающего катка, который за счет изменения траектории движения трубчатого элемента, взаимодействующего с почвой, обеспечивает равномерное уплотнение по глубине почвенного профиля. Обоснована взаимосвязь конструктивных параметров и режимов работы приводного почвообрабатывающего катка с учетом условий функционирования. Предложена реологическая модель состояния почвы, учитывающая ее упруго-вязкопластические свойства, применение которой позволяет определять величину остаточных деформаций.
Практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований представляют научную основу определения технологических параметров и кинематического режима работы приводного катка с использованием трубчатого элемента, обеспечивающего равномерное уплотнение семенного ложа почвы, конструкция которого защищена патентом на полезную модель. Для определения параметров, характеризующих свойства почвы, в полевых условиях на образцах с ненарушенной структурой, разработаны способ и устройство, на которые имеется положительное решение о выдаче патента на изобретение. На основании теоретических исследований разработан каток, на который получено положительное решение о выдаче патента на изобретение. Применение катка в составе комбинированноПЦЩ'ШОЯр^ОТЯ^З^Пе го агрегата
позволяет повысить качество и снизить энергозатраты процесса предпосевной обработки почвы. Использование комбинированного почвообрабатывающего агрегата для предпосевной обработки почвы под рапс и лен-долгунец повысило урожайность семян рапса на 10%, семян льна-долгунца - на 12%, что подтверждено актом внедрения в учебно-опытном хозяйстве «Сахарове» ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия». Энергоемкость процесса предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры снизилась на 431МДж/га, коэффициент энергетической эффективности с учетом повышения урожайности составил 0,91 для рапса и 3,15 для льна-долгунца.
Апробация. Основные положения научной работы, результаты исследований и предложения по их реализации обсуждены на конференциях в ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия» (2001-2003г.г.), на Всероссийской конференции в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (2002г.), на межвузовских научно-технических конференциях в ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» (2002-2003г.г.), на научной конференции в Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева (2003 г.), на Международной научно-практической конференции в ФГОУ ВПО «Московский государственный агро-инженерный университет им В.П. Горячкина» (2004г.).
Публикации. Основные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, опубликованы в 14 печатных научных работах объемом 2,96 п.л., из которых автору принадлежит 2,08 пл., имеется один патент РФ на полезную модель и два положительных решения на изобретения.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, библиографического списка и приложений. Работа содержит 148 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 6 таблиц и 15 приложений. Библиографический список включает 192 наименования.
Анализ исследований по обоснованию параметров и режимов работы почвообрабатывающих катков
Обеспечение качественного выполнения технологической операции является основным требованием? при решении задач обоснования формы, параметров, и режимов работы почвообрабатывающего органа: Основоположник земледель ческой механикшВ.П; Горячкин указывал: «...всякое орудие:оценивается глав (ф ным образом по качеству, а не по количеству работы» [40, т.2, с. 11]. В настоящее время общепризнанным считается,-что плотность и структура сложения почвы являются основными параметрами, которые определяют свой ства и режимы почвы и оказывают решающее влияние на урожайность [24,79,108,129]:. Вопросам; оптимизации; этих параметров, в том числе путем воздействия рабочими органами почвообрабатывающих машин, уделено значи тельное внимание в работах отечественных и зарубежных исследователей [4,10, 15,1б,20,25;26,35,42,45,54,56,70,73Д09,153,154]; Одной из первых работ по оценке изменения агрофизических свойств почвы; от перекатывания колеса следует считать исследования Саакяна С. С. [137], в которой: приведены.результаты экспериментальных исследований таких пока зателей; как структура почвы, порозность, влагоем кость, воз духопрохо дим ость, в зависимости от глубины колеи; Исследования проводились на почвах Арме нии (каштановая, карбонатный чернозем) и даны рекомендации по расчету диаметра и ширины колеса. Анализ работ по; почвообрабатывающим = каткам показал, что определяющим показателем в; большинстве работ принята1 плот 15 ность почвы и равномерность ее распределения [35,83,103,127,130,153,170]. Весовое соотношение различных фракций прикатанных участков почвы при возделывании овощных культур указано в работе [45» с,27]. Поэтому одним из вопросов, требующий ответа, является влияние параметров и режимов работы катка на структуру почвы при ее предпосевной обработке;
Изменение плотности почвы зависит от диаметра, удельной нагрузки (давления) и скорости перемещения катка. Как показал анализ проведенных исследований, во многих работах задачей ставилась фиксация значений плотности почвы без исследования характера изменения от свойств почвы.
Режимы работы являются неотъемлемой частью обоснованного выполнения технологического процесса обработки почвы катком. Особое значение имеют скоростные и нагрузочные режимы работы катков.
Изменение плотности почвы от скоростных режимов работы в широких пределах исследовалось в работах [28,37,55,149,163]. Исследователи указывают влияние различной скорости на изменение плотности; почвы. В работах [37,149,163] приведены эмпирические зависимости скорости, плотности почвы; от параметров катка. Однако в работах также указывается на относительно низкую , устойчивость хода машины и ухудшение копирования рельефа почвы. Изменение плотности почвы при увеличении скорости катка до 10-12 км/ч увеличивалось всего лишь на 0,2-0,4 г/см3. Автор [163] подчеркивает на возможное: увеличение диапазона скоростей на основании полученных данных и указывает на большую степень влияния давления, создаваемого катком на почву. В этой работе исследовалось также изменение плотности по глубине, в результате чего отмечено снижение неравномерности характера распределения плотности, по глубине при увеличении скорости. Вместе с тем, недостаточно исследований на различных нагрузочных режимах, диапазон исследований составил 7-12км/ч. В работах [163,174] отмечается параболическая зависимость изменения плотности от скорости, что практически означает возможное увеличение скорости до 15 км/ч. Изменение удельной нагрузки, исследуемое в работах [37,149,163], показы вает, что- при, фиксированных значениях остальных факторов предпосевного прикатывания, увеличение удельной нагрузки приводит не только к значитель ному увеличению плотности почвы, но и распространению ее по глубине. Большинство работ, в которых отмечается влияние на плотность почвы, удель ной нагрузки, ограничиваются: рекомендациями соотношений необходимой удельной нагрузки от 2,5 до 7,5кг/см при соответствующих диаметрах катка, В I целом, работы направленные на снижение неравномерности распределения плотности от удельной нагрузки; носят характер подбора формы рабочей по верхности [13,27,71,144,171,180] с одновременным изменением давления. Не смотря на достаточно большое количество исследований і по вопросу зависимо сти плотности почвы от удельной нагрузки, на данном этапе не представляется возможным обобщить и обосновать конкретные зависимости; В. ряде работ не указываются параметры исходного состояния почвы, что соответственно не да ( ет объективной оценки полученной в результате исследования зависимости: Изменчивость характеристик почв (тип, гранулометрический состав) также не соизмеримы, поэтому необходима единая методика проведения исследований. Недостаточно проведено исследований по использованию вибрационного на гружения: катков с целью улучшения качества подготовки почвы и снижения , энергоемкости процесса [34,41,114; 145].
Определение наружного диаметра трубчатого катка
Для теоретического расчета шага расстановки, а соответственно и количества ЦТЭ, используем схему с одновременным погружением двух элементов в почву (рис. 2.9).
Угол 2 \/ обозначает зону, в которой в той или иной степени происходит одновременное касание почвы соседних ЦТЭ. Задавшись числом элементов, можно определить угол а между соседними трубками:
Разделив угол 2 у на а , определим оптимально допустимое количество ЦТЭ, находящихся в почве, k = 2i///a =2цт/360. При увеличении радиуса обоймы ЦТЭ Ro5 число элементов, одновременно находящихся в почве при постоянной глубине их погружения Ндоп, уменьшается.
Исходя из ранее указанных агротехнических требований предварительно принято, что нормальной работой катка является образование рыхлой структуры почвы без образования гребней на ее поверхности. 2.3.2. Определение наружного диаметра трубчатого катка
Рассматривая значение диаметра трубчатого катка, исходим из предельных условий: повышенное значение влажности почвы, наезд катка на препятствие (скрытые камни, инородное включение), т.е. образование гребней возможно в случае, когда происходит проскальзывание внутреннего гладкого барабана относительно наружной поверхности цилиндрических трубчатых элементов. При этом, увеличение числа гребней приводит к уменьшению толщины гребня, появляется вероятность отрыва его в результате заклинивания между ЦТЭ. Под действием силы тяжести гладкого внутреннего барабана и самой обоймы с ЦТЭ элементы погружаются в почву на глубину h (рис.2Л0).
Так как они поставлены под углом а друг к другу, то происходит деформация почвы, продольный профиль которой имеет форму трапеции ABCD. В результате деформации между ЦТЭ и почвенным элементом возникают нормальные силы Ni и N2. Если приложить к оси гладкого внутреннего барабана силу тяги Рг или движущий момент Мдв, произойдет перекатывание (опрокидывание) трубчатых элементов относительно точки D. Применительно к рассматриваемому случаю, приложен движущий момент к оси обоймы ЦТЭ, равный Мдв=Рг( (е/2), где е-эксцентриситет, на который отклонен центр обоймы относительно центра гладкого барабана. Эксцентриситет е выбирается из условия образования мелкокомковатого поверхностного слоя при попадании частиц почвы в зазор между трубчатой обоймой и внутренним барабаном.
В этом случае, при повороте обоймы на элементарно малый угол Д6 между почвенным элементом и ЦТЭ возникнут силы трения Fi и F2s с углом между ними а", под действием которых весь почвенный элемент будет стремиться оторваться от общей массы (угол а/! несложно определить из подобия треугольников). В почвенном массиве возникает напряжение, которое становится опасным, когда отношение между а и т удовлетворяет уравнению Кулона — Мора:
Таким образом, заклинивание почвы между трубками будет происходить в том случае, если угол а между 1ДТЭ будет меньше двух углов трения почвы о сталь. При выполнении условия а" 2 р заклинивания не происходит.
Если выразить угол а! через число трубок, то наименьшее их число определится из условия k 1В0/ р. Это условие необходимое, но недостаточное. Налипание может быть частичным, когда почва налипает на одну сторону трубчатого элемента, а другой остается чистым, или сплошным (заклинивание почвы между элементами). Отрыв почвенного элемента, защемленного между элементами, может произойти только при наименьшем значении радиуса обоймы, т. е. когда силы сцепления между почвенными частицами оказываются меньше отрывающей силы. Согласно известным положениям академика В. П: Горячкина [40, с.79-84], отрыв защемленной части почвы будет происходить по двум симметричным плоскостям, для которых величина напряжения r-fa достигает максимума. Эти плоскости скалывания, при разрушении почвенных кубиков методом растяжения, направлены под углом 0t/2 к горизонтали
Чтобы не происходило сплошного залипання рабочего органа, R„ должно быть больше выражения, стоящего в правой части уравнения (2.23).
Значения асм 1с , 61 определяют экспериментальным путем для конкретных условий функционирования почвообрабатывающего катка.
Для обоснования диаметра трубчатого элемента, рассмотрим его при взаимодействии с почвой. Зона максимального уплотнения, которая находится на глубине посева семян (применительно к мелкосеменным культурам — 1-2см), образуется сложением зон от действия смежных ЦТЭ, В свою очередь, зона максимального уплотнения зависит от глубины погружения ЦТЭ и шага их расстановки (рис.2Л2).
Программа и методика проведения лабораторных исследований
Программой проведения лабораторных экспериментов предусмотрено исследование влияния параметров и режимов работы КаП, на различных по типу и механическому составу почвах, на изменение ее исходных величин физико-механических и технологических свойств, проверка сопоставимости расчетных и экспериментальных данных определения степени уплотнения почвы от удельной нагрузки катка, его конструктивных параметров, формы, поступательной скорости движения. В программу включено проведение тензометриче-ских исследований для определения напряжений и деформаций почвы от воздействия почвообрабатывающего катка. Основной задачей лабораторных исследований являлось определение оптимальных параметров и режимов работы с учетом агротехнических требований на предпосевную обработку почвы под мелкосеменные культуры.
Для выполнения программы и реализации методики проведения лабораторных исследований на кафедре «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия» была разработана и изготовлена установка (рис.3.1). Установка представляет собой почвенный канал 1, образованный деревянным коробом размером 5x1x0,8м, с возможностью замены в нем почвы. По направляющим 5, выполненным из профиля швеллерного типа, перемещается тележка 4. Тяговое устройство включает электродвигатель 8, коробку передач 9 и муфту включения 10, которая способна перемещаться в вертикальной плоскости с целью совмещения направления тягового усилия троса 6 с осевой линией катка.
На тележке имеется устройство для крепления почвообрабатывающих рабочих органов 2, в том числе катков, обеспечивающее шарнирное соединение с возможностью копирования рельефа поверхности почвы. Мощность электродвигателя составляет 3кВт. Привод обеспечивает скорость перемещения тележки в пределах от 0,27 до 2,7 м/с. Установка позволяет испытывать катки диаметром от 100 до 1050 мм на различных по типу и механическому составу почвах. Для измерения тягового усилия на установке используется динамометр марки МРТУ 42972-62, обеспечивающий измерение с точностью +1Н. Оценка влияния давления катка на почву проводилась с использованием дополнительных грузов, в качестве которых применялись металлические диски 1 -3 кг от ус 70 тановок для испытания почвы на сдвиг. Дополнительные грузы навешивались равномерно по ширине катка, обеспечивая удельную нагрузку от 20 до 80 Н/см с шагом 20 Н/см. Одновременно фиксировалось давление в Н/см2, используя измерение и расчет площади контакта катка с почвой по формуле [163, с.7].
Показатели физико-механических и технологических свойств почвы являлись основными откликами при проведении экспериментальных исследований. В качестве таких показателей на основании;выполненного анализа, изложенного в главе 1, приняты: плотность и структура почвы. При всех измерениях этих показателей фиксировалась влажность почвы, а также ее твердость и липкость. Определение показателей осуществлялось в соответствии с общепринятой методикой; [21]. Методы и измерительные средства выбирались и использовались В; соответствии с положениями ГОСТ 20915 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний», FOCT29269-91 Почвы. Общие требования к проведению анализов». С целью сокращения времени по определению влажности почвы проанализирована возможность использования приборов для экспресс-определения этого показателя. В ГОСТе 20915 указано, что влажность почвы определяется любым способом с погрешностью +1%. Анализ опубликованных разработок Агрофизического института и ряда других исследований по радиометрическим и рентгенографическим методам показал, что следует согласиться с выводом работы: [170], в которой указано, что наиболее достоверным является гравитационный метод (высокотемпературная сушка), так как нейтронные методы не чувствительны вблизи поверхности почвы и имеют погрешность порядка +3%.
Определение абсолютной влажности почвы проводились, используя метод горячей сушки [21] и следующее приборное обеспечение: сушильный шкаф СЭШ-3 М, весы ВЛК-500, термометр ртутный типа H02,J, бюксы. Измерения проводились в четырехкратной повторности по глубине почвенного слоя до 200мм. Бюксы заполнялись почвой с каждого горизонта толщиной 50мм и взвешивались с точностью 0,01 г. На этих же горизонтах, используя вырезные кольца (режущие цилиндры) полевой лаборатории Литвинова (ПЛЛ) и соответ 71 ствугощую методику определялась плотность почвы также с четырехкратной повторностью.
Результаты лабораторных исследований
При проведении лабораторных экспериментов исследовались параметры удельная нагрузка (XI), скорость (Х2) и кинематический режим работы (ХЗ) почвообрабатывающих катков. Откликами при проведении исследований приняты физико-механические свойства почвы: плотность, влажность, коэффициент структурности. Исследовалось изменение характеристик почвы по глубине (через каждые 50мм на глубине до 200мм) и изменение свойств семенного ложа почвы (на глубине 1-2см)..
Результаты определения плотности по глубине почвенного профиля, значения которой указаны в приложении 2, служат для построения графиков измене 85 ния плотности почвы по глубине от режимов работы катков (рис.4.1). Анализ построенных графиков указывает на значительное влияние формы рабочей поверхности на изменение плотности почвы, как в поверхностном слое, так и по глубине почвенного профиля. Влияние гладкого катка при различных режимах работы имеет неравномерный характер. Разброс значений очень высокий, что объясняется неравномерностью распределения давления катка из-за сплошной поверхности контакта с почвой.
Исследования степени влияния режимов работы трубчатого катка (рис.4.1) указывает на более равномерное распределение плотности при различных режимах его работы в наблюдаемом поверхностном слое 0-5см. Отмечается меньшее влияние на изменение плотности почвы на глубине 10-20 см. На глубине большей 20 см приращение плотности почвы относительно исходного состояния составляет 0,01-0,015г/см .
Анализируя общий характер изменения значений плотности почвы по глубине можно отметить следующее: с увеличением удельной нагрузки при работе гладкого катка наблюдается интенсивное уплотнение верхних и нижележащих слоев; увеличение скорости и удельной нагрузки при работе трубчатого катка увеличивается степень уплотнения только верхнего слоя (0-5см). При проведении лабораторных исследований одновременно фиксировалось изменение влажности почвы по глубине при различных исследуемых факторах. Полученные данные, отраженные в приложении 3 и обработанные статистически с определением ошибки опыта 1,2 дисперсии 0,15 и коэффициента вариации 0,7, послужили основой для построения графиков изменения влажности почвы по глубине от режимов работы катков (рис. 4.2).
Анализ полученных графиков, на которых представлены характерные зависимости указал на значительное влияние формы рабочей поверхности на процесс изменения влажности почвы по глубине.
Анализ влияния гладкой поверхности указывает на значительный разброс значений влажности на поверхностном слое и изменение влажности по глубине почвенного профиля. Отмечается влияние удельной нагрузки, при увеличении которой влажность почвы увеличивается. Установлено влияние скорости перемещения катка, уменьшение которой приводит к увеличению влажности на всей глубине почвенного профиля. Изменение влажности почвы при работе трубчатого катка более равномерное и имеет меньшую степень варьирования в исследуемом слое. Диапазон изменения влажности находится в пределах 11,5-12,5%. Наиболее значимыми факторами являются поступательная скорость и кинематический режим работы катка. Увеличение поступательной скорости и кинематического режима работы катка приводит к увеличению влажности почвы на 2-3%. Незначительное влияние в сравнении со скоростными режимами работы оказывает удельная нагрузка.
При проведении лабораторных исследований получены результаты по определению коэффициента структурности (см. приложение 4). Изменение коэффициента структурности, отраженное в виде графика (рис.4.3) зависит в значительной степени от формы рабочей поверхности и удельной нагрузки, создаваемой гладким катком на почву.
