Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Анализ технологий обработки почвы 8
1.2. Анализ рабочих органов для выполнения обработки почвы 14
1.3. Анализ орудий с вращающимися рабочими органами 32
1.4. Выводы 37
1.5. Задачи исследования 38
Глава 2. Теоретические исследования 40
2.1 .Лопастной рабочий орган ротационного типа 42
2.2. Процесс взаимодействия лопастного рабочего органа с почвой 44
2.3. Кинематика точки лопастного рабочего органа 47
2.4. Длина борозды 51
2.5. Силы, действующие на лопастной рабочий орган 53
2.6. Условие вращения и тяговое сопротивление лопастного рабочего органа 5 8
2.7. Параметры лопастного рабочего органа 60
2.8. Взаимное влияние при работе одновременно нескольких лопастей в почве 64
2.9. Выводы 65
Глава 3 Программа и методика экспериментальных исследований 66
3.1. Программа исследований 66
3.2. Методика определения агротехнических показателей лопастного рабочего органа в почвенном канале 72
3.3. Методика проведения полевых испытаний
3.4. Методика обработки экспериментальных данных
3.5 Планирование экспериментов при определении тягового сопротивления лопастного рабочего органа
Глава 4. Экспериментальные исследования
4.1. Результаты лабораторных экспериментальных исследований в почвенном канале.
4.2. Результаты планируемого полнофакторного эксперимента
4.3. Результаты сравнительных тяговых испытаний лопастного рабочего органа
4.4. Результаты агротехнической оценки
4.5. Выводы
Глава 5 Расчет экономической эффективности
Общие выводы
Список использованной литературы
- Анализ рабочих органов для выполнения обработки почвы
- Кинематика точки лопастного рабочего органа
- Методика определения агротехнических показателей лопастного рабочего органа в почвенном канале
- Результаты планируемого полнофакторного эксперимента
Анализ рабочих органов для выполнения обработки почвы
Обработка почвы - важное звено в системе агротехнических мероприятий по производству продуктов растениеводства. Механическое воздействие рабочих органов машин и орудий на почву усиливает мобилизацию органического вещества, улучшает физические свойства почвы [94].
Наиболее рациональными технологиями обработки почвы в настоящее время считаются отвальная вспашка и минимальная обработка с применением безотвальных орудий [63, 83, 102, 133, 134].
Отвальная вспашка с последующими дополнительными обработками получила наибольшее распространение. Основная задача отвальной вспашки -оборот пласта, полная заделка растительных остатков, рыхление пахотного слоя на заданную глубину и получение слитной выровненной поверхности поля. Кроме того она позволяет перемещать к поверхности почвы питательные вещества, вымытые водой в нижние части пахотного горизонта.
Вместе с тем, как показали многолетние исследования, вспашка не всегда необходима и не всегда есть возможность провести ее в период до посева культурных растений [94].
Качество вспашки определяется конструкцией корпуса плуга, геометрической формой и расположением его рабочей поверхности относительно дна и стенки борозды. По конструкции различают корпуса отвальные, безотвальные, вырезные, с почвоуглубителем, с выдвижным долотом, дисковые и комбинированные. Глубину вспашки - 20-30 см и 12-22см выбирают в зависимости от типа почвы, ее влажности и других свойств, а также учитывая энергозатраты на единицу выращенной продукции.
Наряду с традиционной технологией на базе отвальной вспашки и последующих дополнительных обработок в различных странах все более широко применяются технологии с сокращенными почвообработками. Среди них паи 9 более распространены различные варианты минимальной и нулевой обработок почвы.
По существующей классификации минимальная обработка - безотвальная обработка дисковыми орудиями, чизельными плугами или культиваторами всей поверхности поля [61].
Безотвальная система исключает оборот почвенного пласта; его заменяют глубоким рыхлением с сохранением стерни, защищающей почву от ветровой эрозии [58]. Она применяется в засушливых степных районах для накопления и сохранения влаги, снижения интенсивности процессов ветровой эрозии.
Минимальная обработка обеспечивает снижение энергетических затрат путем уменьшения числа и глубины обработок, совмещения операций в одном рабочем процессе и применение гербицидов.
Нулевая обработка - прямой посев по стерне, совмещение обработки с посевом, ленточная обработка почвы ротационными орудиями. При нулевой технологии обрабатывается не более 25% поверхности поля [57].
Выбор необходимой рациональной технологии обработки почвы связан с учетом целого ряда особенностей: природно-климатические условия; тип почвы, ее увлажнение, рельеф поверхности, засоренность; требования возделываемой культуры; снижение энергетических затрат.
Мнения о достоинствах и недостатках различных систем обработки почвы не всегда однозначны и часто противоречивы. Важнейшими преимуществами сокращенных почвообработок называются экономия топлива, сокращение затрат труда и сроков проведения работ, лучшие условия уборки. К недостаткам этих технологий относят невысокие урожаи, сложность специальных машин, непригодность почв для минимальной обработки [61, 120].
Важным свойством, определяющим эффективность и перспективность способов и технологий обработки почвы, является их влияние на урожайность возделываемых культур. Отвальная вспашка при хорошей водообеспеченности имеет преимущество перед плоскорезной и минимальной [53]. Применение нулевой обработки часто ведет к снижению урожайности, повышению комкова 10
тости почвы. Это увеличивает затраты на предпосевную обработку. Возникает необходимость в специальных сеялках, способных работать при наличии значительного количества растительных остатков на поверхности поля.
Сокращенные обработки обеспечивают хорошую защиту почв от эрозии. Влагоудерживающая способность после минимальной обработки дисками или чизелем значительно больше, чем после вспашки [61].
Значительная часть зернового клина страны расположена в засушливых зонах, характеризующихся резким континентальным климатом, усиленной ветровой деятельностью и недостаточным количеством атмосферных осадков.
При выращивании зерновых культур на эрозионно-опасных почвах необходимо выполнение следующих принципов: минимальное распыление обрабатываемого слоя почвы; снижение скорости воздушного потока в приземном слое; максимальное накопление и рациональное использование влаги за счет зимних осадков.
При возделывании зерновых культур на почвах, подверженных ветровой эрозии, предусматривается обработка почвы следующих видов: мелкая плоскорезная; глубокое плоскорезное рыхление; культивация чистого пара; поверхностная (ранневесеннее и пожнивное боронование почвы, уход за посевами многолетних трав); пожнивное дискование почвы после уборки подсолнечника или кукурузы на зерно; щелевание, чизелевание.
На стерневых полях лучше накапливается снег, однако чем больше в почве накоплено влаги, тем интенсивнее испарение в предпосевной период. Аккумуляция же талой воды черноземной почвы выше при вспашке зяби по сравнению с плоскорезной обработкой и с необработанной стерней [67].
Приемы безотвальной обработки почвы менее эффективны против сорняков по сравнению со вспашкой. При безотвальной обработке затруднена заделка на оптимальную глубину органических удобрений, дернины многолетних трав [23,71 ,84,121].
Вспашка самая дорогая, продолжительная, трудоемкая и энергоемкая операция при возделывании сельскохозяйственных культур [40]. сравнительно низкая производительность при вспашке и высокие затраты на ее выполнение, а также большая продолжительность вспашки во времени и не вполне удовлетворительное перемешивание растительных (пожнивных) остатков с почвой, послужили причиной поиска такого метода обработки почвы, который был бы лишен недостатков, присущих вспашке, и при этом мог бы заменить ее [40, 94, 123].
Чизелевание - это безотвальная обработка почвы чизельными орудиями с рыхлительными и стрельчатыми лапами, установленными на раме орудия с не-дорезом пласта по ширине захвата. Чизелевание на глубину 20-45 см проводят главным образом при основной обработке почвы, частично заменяя отвальную вспашку лемешными плугами или безотвальную обработку плоскорезами-глубокорыхлителями, а также при перепашке слитных почв по отвальной зяби весной и при уходе за парами [82].
Исследования, проведенные в центральных районах Нечерноземной зоны показали, что чизелевание дерново-подзолистой почвы под пропашные и зерновые культуры на глубину 30-40 см интенсивно разрыхляет уплотненный подпахотный слой. Чизелевание резко улучшает водно-воздушные свойства почвы, увеличивает мощность аэрируемого и корнеобитаемого слоев. Оно способствует отводу избыточной влаги из пахотного слоя в осенний и ранневесен-ний периоды и накоплению ее в нижележащих слоях. Твердость почвы на глубине до 30 см после чизельной обработки на 38-40 см существенно ниже чем после вспашки [114].
Кинематика точки лопастного рабочего органа
К щелеванию предъявляются следующие агротехнические требования: - глубина хода щелереза должна быть равномерной, отклонение средней глубины от заданной не должно превышать ± 0,02 м; - шели должны иметь глубину 0,3...0,5 м в зависимости от крутизны склона и почвенных условий; - нарезку щелей проводят поперек склона или по направлению горизонталей (на сложных склонах); - отклонение расстояния между щелями в смежных проходах допускается не более ±0,15 м; - наружная часть щели может быть разрушенной, но не должна препятствовать стоку воды в щель; - ширина щели в почве не более 0,05 м, диаметр кротового отверстия 0,08 м. Высота валиков, формируемых на зяби, допускается 0,15-0,18 м. [40].
В настоящее время промышленностью выпускаются плоскорезы-щелеватели ПЩ-3 и ПЩ-5, предназначенные для сплошной обработки почвы с максимальным сохранением стерни и других пожнивных остатков после колосовых и пропашных предшественников с одновременным щелеванием. Плоско-резы-щелеватели ШЦ-З и ГТЩ-5 - это навесные орудия. Они состоят из плоской сварной рамы с присоединительным треугольником, двух опорных колес с механизмом регулировки, рабочих органов для безотвального рыхления и щеле-вания почвы.
Рабочий орган для безотвального рыхления почвы - это стрельчатая плоскорежущая лапа с углом раствора 75 , углом резания 25 и шириной захвата 0,97 м. Щелеватель дна борозды устанавливают за плоскорежущим рабочим органом. Он состоит из стойки с ножом-накладкой, долота с башмаком и упора, при помощи которого регулируется угол вхождения долота в почву [64,65 ].
Для уменьшения тягового сопротивления используется послойное резание. Впереди идет стойка с лапой, а за ней на некотором расстоянии - стойка щеле-реза. ПЩ-З отличается от ПЩ-5 классом тяги: соответственно 30 кН и 50 кН.
Существенным недостатком, при таком расположении рабочих органов является то, что щель остается практически открытой и в связи с высокой аэрацией и интенсивным ростом температур в весенний период, такая щель теряет значительное количество влаги в результате испарения, что заметно снижает эффективности щелевания.
К недостаткам орудия можно отнести невозможность работы агрегата «вкруговую», так как это неизбежно приведет к поломке орудия. Работа чел 23 ночным способом не рекомендуется, из-за того, что при движении в обратном направлении, когда рыхлая часть поля остается с левой стороны трактора, механизатор не видит левое колесо орудия и оставляет много огрехов. При работе загонным способом необходим следоуказатель [65].
Выпускаемый ранее щелерез-кротователь ЩН-2-140 (рис. 1.7.) применяют для щелевания с кротованием сенокосов, пастбищ и лугов, а также зяби на склонах до 10 с одновременным валкованием (валики высотой до 0,12 м). Он состоит из основной и шарнирной рам, опорных колес 6 с винтовыми механизмами, гидроцилиндрами и рабочих органов.
При работе щелеватель-кротователь комплектуют двумя ножами-щелерезами 1 с долотами 4, кротователями 3 (при необходимости) и двумя ва-ликодержателями 2. При этом снимают дисковые ножи 5.
Для щелевания сенокосов и пастбищ на раме оставляют только ножи ще-лерезы 1 и дисковые ножи 5, которые устанавливают впереди них. Снимают валикодержатели 2 [40].
Приспособление ПРВН-53 к плугам рыхлителям ПРВН-2,5, ПРВН-1,5А и приспособление ПРВМ-53.000 к плугу ПРВМ-3 предназначены для нарезки щели в междурядьях виноградника. Рабочие органы приспособлений центральный глубокорыхлитель и два боковых наклонных ножа - монтируют на рамах плугов. Центральный рабочий орган имеет сменное долото и наклонный нож, угол наклона которого регулируют размещением его на раме. Глубину хода рабочих органов устанавливают винтовыми механизмами, изменяя положение опорных колес. Производительность ПРВМ-3 с приспособлением для ще-левания до 2 га/ч.
Многочисленные исследования и опыт передовых хозяйств убедительно доказывают эффективность совмещения щелевания с плоскорезной обработкой почвы.
Щелерезы-кротователи ЩН-2-140, ЩН-5-40 и щелеватель почвы ЩП-3-70 (рис. 1.8., 1.9.) предназначены для щелевания сенокосов и пастбищ, посевов озимых и трав, а также зяблевой вспашки с целью уменьшения стока и водной эрозии на склонах до 8.
Все орудия — навесные, состоят из следующих основных узлов: рамы с присоединительным треугольником, двух металлических опорных колес с механизмом регулировки, рабочих органов для щелевания почвы в виде ножей с долотами и дисковыми ножами. Щелерезы-кротователи ЩН-2-140 и ЩН-5-40, кроме того, снабжены кротователями и сменными валикообразующими устройствами.
Орудия можно использовать в двух вариантах: на щелевании сенокосов и пастбищ, посевов озимых и многолетних трав; на щелевании зяблевой вспашки. В первом варианте щелерезы оборудуют узкими долотами, а впереди их устанавливают дисковые ножи. Щелеватель почвы ЩП-3-70 работает и с более узкими стойками — 20 мм.
Глубину щелевания устанавливают в зависимости от расстояния между щелями в диапазоне от 20 до 40 см. Расстояние между щелями регулируют перестановкой рабочих органов на раме орудия (за исключением ЩН-2-140).
Методика определения агротехнических показателей лопастного рабочего органа в почвенном канале
Вращение рабочих органов является основным отличительным признаком ротационных почвообрабатывающих машин и орудий. Совокупность ротационных рабочих органов и устройства, на котором они закреплены, называются ротором.
Энергия от двигателя к ротору может поступать через тяговое устройство трактора, при этом ротор получает вращение в результате пассивного взаимодействия рабочих органов с почвой (пассивный канал). Когда энергия передается от двигателя к ротору через карданный вал, гидропривод или электропривод, то вращение ротора становится активным (активный канал) Энергия может поступать к ротору также по двум каналам одновременно. Указанная особенность позволяет четче разделить ротационные почвообрабатывающие устройства на две традиционные группы: машины и орудия.
Если ротор получает энергию только через пассивный канал, то все устройство к которому он принадлежит, обычно называют орудием, а если через пассивный и активный или только через активный канал - машиной [56].
Использование активных рабочих органов почвообрабатывающих орудий оправдано в тех случаях, когда при одном и том же качестве работы обработку почвы можно провести за один рабочий проход вместо нескольких, необходимых при использовании орудий с пассивными рабочими органами. Активные рабочие органы крошат почву посредством ударного действия, резания, давления [94]. Применение почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами бывает чаще всего целесообразно на глинистых почвах в летний и осенний периоды, когда почва просыхает и становится комковатой. Лучшая заглубляющая способность наблюдается у пассивно-ротационных орудий. Простота конструкции, технологическая надежность, высокая производительность позволяют им занять ведущее место среди орудий для поверхностной обработки почвы [37].
Английская фирма «Bamford» выпускает несколько модификаций ротационного культиватора «Duna-Drive», выполненного в виде двух батарей игольчатых дисков и соединенных между собой цепной передачей (рис 1.17). Частота вращения передней батареи равна поступательной скорости агрегата, а задней в 2,5 раза больше. Глубина обработки почвы орудием составляет 5-Ю см, ширина захвата - 2-5 м. Это в большинстве случаев позволяет подготовить почвы под посев зерновых за один проход. Испытания показали, что затраты на обработку почвы культиватором «Duna-Drive», значительно меньше, чем другими орудиями [36].
Схема ротационного бесприводного культиватора фирмы «Duna-Drive» (Англия): 1- игольчатый диск; 2- каток. Фрезы применяют для интенсивного крошения почвы, уничтожения сорняков, измельчения растительных остатков перемешивания слоев почвы, заделки удобрений и выравнивания поверхности поля.
Фирма «Lely» (Нидерланды) выпускает фрезу «Buryvator» с обратным направлением вращения барабана [0]. Машина способна подготовить почву под посев за один проход агрегата (рис. 1.18). Наличие сепарирующего решетчатого фартука позволяет хорошо разделывать сорняки и крупные комки почвы. Рис. 1.18. Схема работы фрезы «Buryvator»: 1- фреза обратного вращения; 2-сепарирующий решетчатый фартук.
Фрезерование энергоемкий процесс. Затраты энергии на обработку почвы таким способом значительно превышают затраты ее при обработке другими машинами. Поэтому фрезеровать целесообразно тяжелые почвы, где требуется интенсивно измельчать почвенные монолиты. На легких почвах фрезы применять не рекомендуется во избежание распыления.
Представляет интерес рабочий орган ротационного почвообрабатывающего орудия научно-производственного объединения «Элита Поволжья», (авторы А.И. Воронин и B.C. Стягов) [9], предназначенного для повышения качества обработки твердых почв и снижения энергозатрат (рис. 1.19.).
Рабочий орган состоит из закрепленного на горизонтальной оси несущего элемента 1., имеющего форму цилиндра или усеченного конуса. На его поверхности под углом а к его поверхности и углом \\i к его образующей расположены ножи 2., имеющие двустороннюю заточку. При движении орудия рабочие органы вращаются от сцепления ножей с почвой, при этом ножи 2. сначала внедряются в почву торцевой кромкой, а затем нож поворачивается и начинает резать боковой кромкой. Рабочий орган обладает эффектом отрыва почвы на выходе ножа 2, а не сдвига что приводит к снижению энергозатрат. CPU 2.1
Авторами Д.В. Бугирли, Г.Ю. Кулиевым и Ф.М. Башировым [8] предложен почвообрабатывающий рабочий орган (рис.120.) предназначенный для более полного уничтожения сорняков. Рабочий орган состоит из стойки 1, приводной оси 2 с коническим наконечником 3, основного отвала 4 в виде винтовой конической поверхности и дополнительного отвала 5. Между основным 4 и дополнительным 5 отвалами выполнена выемка 6. При работе основной отвал 4, вращаясь, отделяет от монолита пласт почвы, оборачивает и крошит его, при этом пласт смещается вдоль оси винтовой линии назад. Попадая в зону выемки 6, пласт делится дополнительным отвалом 5 на две части. В изобретении используется ось вращения расположенная параллельно направлению движения что позволяет значительно упростить конструкцию машины. Однако привод данного рабочего органа осуществляется от вала отбора мощности трактора это значительно ограничивает производительность и применяемость в зонах подверженных ветровой эрозии.
В степной и лесостепной зонах Западной Сибири, а так же ряде других зон с недостаточным и неустойчивым увлажнением естественные запасы влаги в почве, как правило недостаточны для получения высоких урожаев. К тому же, около четверти годовых осадков сносятся с полей, стекают и испаряются. О количестве почв подверженных водной эрозии в Омской области можно судить по представленной ниже таблице.
Результаты планируемого полнофакторного эксперимента
Лабораторные экспериментальные исследования влияния параметров лопастного рабочего органа на показатели качества обработки проводились в почвенном канале подраздел 3.2. При испытании рабочего органа в почвенном канале максимальная глубина обработки достигала 45-50 см. В почвенном канале был определен наиболее рациональный по величине угол атаки лопастей (3. Его величина находится в пределах 30...40.
При установке угла менее 30 наблюдалось уменьшение ширины щели до 2 см, что не допустимо по агротребованиям к щелевателям. Длина бороздок в этом случае достигала четырех метров, оборот рабочего органа нестабилен. Увеличивается зона перекрытия с минимальной глубиной обработки А1-Е (рис. 4.1). Снижается интенсивность обработки, увеличивается неравномерность ее по глубине.
При установке угла Р на величину более 40 наблюдается существенный вынос влажных слоев почвы на поверхность (при работе на стерневом фоне, повреждение и засыпание стерни почвой). По виду обработка приближается к лункованию. При существующей форме и размерах лопастей выход за указанные выше пределы по величине угла атаки лопасти [3, можно считать нерациональным при использовании данного рабочего органа для щелевания.
Уточнен теоретически обоснованный угол наклона оси вращения лопастей а, величина которого влияет на неравномерность глубины обработки. Для достижения меньшей неравномерности нижняя часть лопасти рабочего органа, при перемещении в слое почвы, должна описывать эллипсоиду. Величина угла наклона оси вращения лопастей составила 12-15.
При значениях а более 15 изменяется положение лопасти относительно поверхности почвы до отрицательного угла у, наблюдается выглубление рабочего органа. Компенсация угла а за счет увеличения наклона лопасти нерациональна, так как снижается глубина обработки, уменьшается расстояние между осью вращения и поверхностью почвы, необходимое для прохода растительных остатков. Угол наклона лопастей у в сторону направления движения агрегата был определен из условия отсутствия выглубляющих сил. Стабильная работа испытуемого органа наблюдалась при его величине 7 к горизонтальной плоскости. Поэтому угол наклона лопастей у был фиксирован на величине 7. Его величина при проведении дальнейших экспериментов не варьировалась.
Результаты планируемого полнофакторного эксперимента При проведении экспериментальных исследований был применен симметричный некомпозиционный квази-В-оптимальный план предложенный Л.Л. Песочинским. Такой план позволяет с достаточной точностью описать исследуемый процесс при небольшом количестве варьируемых факторов.
В статистическом смысле D- оптимальность обеспечивает минимум обобщенной дисперсии всех оценок коэффициентов[93]. Для сравнительных испытаний были выбраны рабочие органы культиватора КПЭ-3.8 и щелевателя. Агротехническими требованиями на культиватор предусмотрена глубина обработки равная 5-16 см., при скоростях движения до 9 км/ч. Щелеватели могут работать на глубине до 40 см при скорости движения до 9 км/ч.
При проведении экспериментов по определению влияния параметров лопастного рабочего органа на тяговое сопротивление, установочная глубина обработки варьировалась на двух основных уровнях: 19 и 22 см. При установочной глубине равной 22 см - максимальная глубина обработки лопастным рабочим органом составила 35 см.
Проведение планируемого полнофакторного эксперимента с использование плана второго порядка предусматривает получение модели процесса, описываемой уравнением регрессии типа (3.6) (подраздел 3.5) В результате получено уравнение регрессии, адекватное на 5%-м уровне значимости описывающее процесс изменения тягового сопротивления лопастного рабочего органа в кодированных величинах
Оно содержит девять коэффициентов из десяти возможных, так как Ь]2 оказался статистически не значимым. Уравнение 4.1 оказалось адекватным на 5%-ном уровне значимости, так как расчетное значение критерия Фишера меньше табличного FpaC4= 2,21 FTa6jI = 5,73.
Из предварительного анализа модели процесса взаимодействия экспериментального лопастного рабочего органа с почвой по коэффициентам уравнения регрессии следует: 1. Наиболее значимыми являются коэффициенты Х2 и Хз отображающие влияние соответственно угла атаки лопасти и глубины обработки на тяговое сопротивление лопастного рабочего органа. 2. Поскольку все три квадратичные коэффициента (х, , Хг , Хз ) присутствуют в уравнении, то есть, являются статистически значимыми, модель является нелинейной и поверхности отклика должны описываться кривыми второго порядка. 3. Положительный знак перед X\ 2,Х22 говорит о вогнутости кривых, следовательно имеет смысл говорить о наличии минимального значения тягового сопротивления в области варьирования факторов. 4. Совместное влияние глубины обработки и скорости движения (хь х3) говорит о том, что тяговое сопротивление прямо пропорционально их величинам. 5. Коэффициент хз , отражающий квадратичное влияние скорости движения агрегата на величину отклика, является наименее значимым. Следовательно, влияние скорости на тяговое сопротивление близко к линейному.
Результаты вычисления тягового сопротивления лопастного рабочего органа приведены в таблице 2 приложения. Анализ модели, описываемой уравнением регрессии ( 4.2) производится методом сечений. В результате чего получены поверхности отклика - зависимости тягового сопротивления рабочего органа от угла атаки лопасти и скорости движения агрегата при фиксированных значениях глубины обработки, приведенные на рис. 4.2-4.4.
