Содержание к диссертации
Введение
1. ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8
1.1. Агротехническое обоснование целесообразности глубокого рыхления почвы 8
1.2. Обзор и анализ технических средств для глубокого рыхления почвы 18
1.3. Краткий обзор исследований по взаимодействию рабочих органов с почвой 35
1.4. Заключение по главе и задачи исследований 46
2. ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 49
2.1. Обоснование некоторых параметров рабочих органов для применяемых в условиях Украинской ССР видов глубокого рыхления почвы и технических средств для их осуществления 49
2.2. Предпосылки к выбору формы и параметров колебаний рабочего органа глубокорыхлителя 67
2.3. Кинематика вибрационного рабочего органа глубокорыхлителя 81
2.4. Определение площади и коэффициента полноты рыхления почвы в зоне действия рабочих органов глубокорыхлителя 92
2.5. Определение энергетических показателей процесса взаимодействия рабочего органа глубоко рыхлителя (щелевателя) с почвой 100
3. ГЛАВА Ш. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 123
3.1. Программа экспериментальных исследований 123
3.2. Планы опытов, приборы и оборудование 123
3.3. Методика определения физико-механических свойств почвы 134
3.4. Методика определения качественных показателей
обработки почвы рабочими органами глубокорыхлителя (щелевателя) 142
3.5. Методика определения энергетических показателей рабочих органов глубокорыхлителя (щелевателя) 145
3.6. Обработка результатов эксперимента 151
4. ГЛАВА ІV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 154
4.1. Оптимизация основных параметров рабочих органов глубокорыхлителя (щелевателя) 154
4.2. Проверка теоретических предпосылок по обоснованию рациональной формы траектории при круговых колебаниях рабочего органа глубокорыхлителя 170
4.3. Влияние параметров, режимов работы и расстановки рабочих органов глубокорыхлителя на коэффициент полноты рыхления почвы 178
4.4. Выбор и обоснование формы долота и режимов работы вибрационного рабочего органа глубокорыхлителя 182
4.4.1. Математическая модель процесса глубокого рыхления почвы вибрационными рабочими
органами 182
4.4.2. Качественные показатели вибрационных рабочих органов глубокорыхлителя 185
4.4.3. Тягово-энергетические показатели вибрационных рабочих органов глубокорыхлителя 193
4.5. Проверка вибрационного глубокорыхлителяи щелевателя почвы в производственных
условиях. Реализация результатов исследований 212
5. ГЛАВА V. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ВИБРАЦИОННОГО ГЛУБОКОРЫХЛИТЕЛЯ
И ЩЕЛЕВАТЕЛЯ ПОЧВЫ 220
5.1. Экономическая эффективность применения вибрационного глубокорыхлителя ВР-80 220
5.2. Экономическая эффективность применения щелевателя почвы ЩП-000 225
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЩОЖЕНИЯ 228
СПИСОК ИСДОЛЬЗОВІШНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 232
ПРИЛОЖЕНИЯ 246
- Агротехническое обоснование целесообразности глубокого рыхления почвы
- Обоснование некоторых параметров рабочих органов для применяемых в условиях Украинской ССР видов глубокого рыхления почвы и технических средств для их осуществления
- Программа экспериментальных исследований
- Оптимизация основных параметров рабочих органов глубокорыхлителя (щелевателя)
- Экономическая эффективность применения вибрационного глубокорыхлителя ВР-80
Введение к работе
Продовольственная программа СССР на период до 1990 года, принятая на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС, является одним из этапов претворения в жизнь аграрной политики КПСС и предусматривает обеспечить в возможно сжатые сроки устойчивое снабжение населения всеми видами продовольствия [I ].
В Продовольственной программе большое внимание уделено повышению плодородия почв, урожайности культур и дальнейшему техническому перевооружению сельского хозяйства новой высокоэффективной техникой.
Важное место в повышении плодородия почв и урожайности культур занимает глубокое (более 0,4 м) рыхление, особенно на почвах с естественными уплотненными подпахотными горизонтами или образовавшимися в процессе перемещения по полю сельскохозяйственных орудий и машин. Этот агротехнический прием уменьшает водную эрозию, улучшает водно-воздушный, пищевой и тепловой режим почв, а вместе с тем повышает урожайность сельскохозяйственных культур на 5...40 %. Кроме того, глубокое рыхление способствует увеличению мощности корнеобитаемого слоя, что благоприятно сказывается на расширенном воспроизводстве почвенного плодородия.
В настоящее время в практике земледелия Украинской ССР применяется несколько видов глубокого рыхления - сплошное и полосное (щелевание зяби) рыхление, щелевание посевов культур, сенокосов и пастбищ. Однако эти эффективные приемы применяются крайне недостаточно, так как наша промышленность выпускает еще мало машин для этой цели, к тому же они в некоторых случаях не отвечают полностью агротехническим требованиям. В частности, единственное выпускаемое орудие для щелевания (ЩН-2-І40) не обеспечивает требуемой глубины обработки, а геометрические параметры его рабочих органов не позволяют качественно выполнить эту операцию. Существующие же глубокорыхлители - очень энергоемки, их тяговое сопротивление достигает 60...100 кН, в связи с чем агре-гатируются они, как правило, с тракторами не сельскохозяйственного, а промышленного назначения. Поэтому обоснование оптимальных параметров рабочих органов щелевателей, а также изыскание рабочих органов глубокорыхлителей, способных качественно выполнять глубокое рыхление тракторами сельскохозяйственного назначения, имеет решающее значение для более широкого внедрения в сельскохозяйственное производство этих приемов обработки почвы, дающих большой народнохозяйственный эффект.
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I...I985 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУІ съездом КПСС, предусмотрено обеспечить дальнейший рост производства мощных тракторов типов К-700 и T-I50 и расширить производство почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами [2 ] .
Учитывая все возрастающую энергонасыщенность сельскохозяйственных тракторов, одним из перспективных направлений интенсификации режимов работы почвообрабатывающих машин, требующих большой силы тяги, является передача части мощности от двигателя трактора непосредственно на рабочий орган орудия. Вибрация рабочих органов - эффективный способ реализации части мощности двигателя трактора через рабочий орган орудия, позволяющая снизить тяговое сопротивление до 50 %, улучшить качество обработки и уменьшить воздействие движителей на почву.
Однако широкое внедрение в сельскохозяйственное производство глубокорыхлителей с вибрационными рабочими органами сдерживается из-за недостаточной изученности процесса их работы и отсутствия научно обоснованных методов расчета оптимальных параметров и режимов работы.
С учетом изложенного была поставлена цель диссертационной работы: повышение качества и снижение энергоемкости глубокого рыхления и щелевания почвы путем оптимизации параметров рабочих органов и режимов их работы.
На защиту выносятся следующие основные новые положения: обоснованные параметры рабочих органов для глубокого рыхления и щелевания почв в условиях Украинской ССР; теоретические зависимости для определения коэффициента полноты рыхления почвы при глубоком рыхлении; аналитические предпосылки к выбору формы траектории, основных параметров и режимов работы вибрационного рабочего органа глубокорыхлителя; теоретические и экспериментальные зависимости энергетических показателей процесса взаимодействия рабочих органов глубокорыхлителя и щелевателя с почвой; методика расчета параметров и режимов работы вибрационных рабочих органов (колеблющихся по эллиптической траектории) глубокорыхлителя .
Работа выполнена в лаборатории механизации обработки почвы Украинского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (УНИИМЭСХ) в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме № 7 "Исследовать и совершенствовать технологические процессы обработки почвы в условиях Украинской ССР" (№ гос. per. 730292400) и по теме № I "Разработать технологии и технические средства обработки почвы и коренного улучшения полей основных зон Украинской ССР" (№ гос. per. 79053014).
Агротехническое обоснование целесообразности глубокого рыхления почвы
Обработка почвы регулирует множество почвенных процессов и вызывает направленное изменение свойств ее с целью обеспечения наилучших условий для сельскохозяйственных культур.
Однако в настоящее время при обработке почвы в течении года около 90 % площади полей подвергается воздействию колес тракторов и сельскохозяйственных машин, масса которых постоянно увеличивается, в результате чего недобирается около 20...50 % урожая [78, 124, 127] . При перемещении машин и агрегатов почва уплотняется и образуется слой, который чрезвычайно затрудняет фильтрацию воды вглубь. Вследствие чего происходит размывание почвы на склонах и заболачивание в низинах, а также вымывание легкорастворимых минеральных питательных веществ с верхних слоев почвы. Уплотнение подпахотных горизонтов особенно проявляется на переувлажненных почвах тяжелого механического состава. Этот уплотненный горизонт залегает на глубине 0,35...0,60 м, и плотность его в 1,5...1,9 раза больше плотности почвы на поверхности [124] .
Наряду с уплотнением почвы движителями и опорными поверхностями сельскохозяйственных машин, уплотнение почвы и образование плотных подпахотных прослоек может происходить и естественно, за счет сил гравитации. Это в большей степени наблюдается в почвах болотного, подзолистого и солонцового типа, где глинистые частицы вымываются в более глубокие слои почвенной толщи с образованием иллювиального горизонта, плотность которого достигает 1800...2000 кг/и [ 61 ]. Глубина залегания уплотненных прослоек и их плотность для некоторых типов почв, по данным Б.И.Мичурина [ 61 ] , приведена в табл. I.I.
Наличие в почвах плотных сцементированных прослоек (мергелистые глины, мергели и др.), образовавшиеся под влиянием почвообразовательного процесса и находящихся на небольшой глубине (до 1м), также отрицательно влияют на водно-воздушный режим почв и жизнь растений [ 88 ].
Зависимость водопроницаемости почвы от ее плотности, по данным И.Б.Ревута [ 88 ], показана на рис. I.I. Из которого видно, что даже при незначительном уплотнении тяжелых почв их водопроницаемость падает до нуля.
Обоснование некоторых параметров рабочих органов для применяемых в условиях Украинской ССР видов глубокого рыхления почвы и технических средств для их осуществления
В настоящее время в практике земледелия Украинской ССР применяется несколько видов глубокого рыхления почвы (табл. 2.1). Для всех видов рыхления главной целью является улучшение водно-воздушного режима почвы и предохранение ее от смыва. Вместе с тем каждый из видов имеет свои особенности и принципиальные отличия. Так, глубокое рыхление (сплошное) выполняется на глубину 0,4...0,8 м при коэффициенте полноты рыхления 0,4...0,6. Причем форма профиля разрыхленной зоны не имеет существенного значения; необходимо только чтобы площадь разрыхленной зоны была максимальной и разрыхленные полосы стыкались между собой.
Щелевание (полосное рыхление) зяби представляет собой образование разрыхленных полос в подпахотном слое на глубину 0,4... 0,6 м с интервалом от 1,4 до 4,0 м. Здесь, как и при сплошном рыхлении, форма профиля разрыхленной зоны не играет какой-нибудь роли, просто площадь ее должна быть максимальной.
При щелевании посевов озимых культур, многолетних трав, сенокосов и пастбищ накладывается ограничение - минимальное повреждение растений рабочими органами. Отсюда особое требование к профилю щели. Верхняя часть разрыхленной зоны и высота поднятия почвы должны быть минимальными.
Указанные особенности каждого вида глубокого рыхления необходимо учесть при обосновании параметров рабочих органов глубоко-рыхлителей. Анализ этих особенностей показывает, что критерии определения параметров рабочих органов для различных видов рыхления .имеют свои отличия. Критерием эффективности процесса глубокого.
class3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ class3
Программа экспериментальных исследований
Для проверки теоретических предпосылок и установления некоторых зависимостей, не определенных аналитическим путем, проведены экспериментальные исследования.
Экспериментальные исследования включали в себя проведение лабораторно-полевых исследований и производственную проверку. Лабораторно-полевыми исследованиями предусматривалось решение следующих программных вопросов:
1) определение физико-механических свойств почвы;
2) уточнение основных параметров рабочих органов для глубокого рыхления, щелевания зяби и посевов культур;
3) проверка теоретических предпосылок по определению площади разрыхленной зоны почвы и коэффициента полноты рыхления;
4) проверка теоретических предпосылок по обоснованию рациональной формы траектории при круговых колебаниях рабочего органа глубокорыхлителя;
5) определение качественных и энергетических показателей работы пассивных и вибрационных рабочих органов глубокорыхлителя (щелевателя) $
6) выбор наиболее приемлемой формы долота для глубокого рыхления ;
7) уточнение режимов работы вибрационных рабочих органов глубокорыхлителя.
3.2. Планы опытов, приборы и оборудование
Лабораторно-полевые исследования проводились в три этапа. На первом этапе решался вопрос уточнения основных параметров рабочих органов для глубокого рыхления, щелевания зяби и посевов культур. Эксперименты этого этапа проводились согласно стандартного плана второго порядка типа 5 [іОб] , уровни факторов которого указаны в табл. 3.1. Для реализации этого плана было изготовлено 5 экспериментальных стоек (рис. 3.1) и 25 долот (рис. 3.2), основные параметры которых приведены в табл. 3.2.
Оптимизация основных параметров рабочих органов глубокорыхлителя (щелевателя)
Эксперименты первого этапа лабораторно-полевых исследований проводились с пассивными рабочими органами (рис. 4.1) на поле АН УССР, Киевская область. Рельеф ровный без уклонов. Фон - стерня озимой пшеницы. Почва - дерново-среднеподзолистая супесчаная, физико-механические свойства которой приведены в табл. 4.1
Сравнивая эти координаты центра с уровнями факторов (табл. 3.1), видим, что центр поверхности, описанной уравнением (4.6), находится в области изменения всех факторов; центры поверхностей, описанных уравнениями (4.7,4.9 и 4.10), находятся в области изменения двух факторов ОС и / , а центр поверхности, описанной уравнением (4.8), находится вне области изменения факторов и один из них и - даже вне области его определения, точно также как и для поверхности, описанной уравнением (4.9).
Детальное исследование показывает, что описываемые уравнениями (4.6) - (4.10) поверхности отклика являются гиперболоидами, а их центр - минимакс (поверхность типа "седла").
Тогда для определения рациональных параметров рабочих органов глубокорыхлителей используем метод сканирования _67, 90J с учетом агротребований на каждый вид рыхления (см. табл. 2.1). Так, параметры рабочего органа для щелеватая посевов культур определим исходя из следующих условий: а) функция цели П не должна превышать 0,07 м; б) функция цели О должна быть минимальной ) функция цели /У характеризует постоянство заданной глубины и должна быть равной 0,5 0,05// м; г) функции цели /? и Л должны быть минимальными.
class5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ВИБРАЦИОННОГО ГЛУБОКОРЫХЛИТЕЛЯ
И ЩЕЛЕВАТЕЛЯ ПОЧВЫ class5
Экономическая эффективность применения вибрационного глубокорыхлителя ВР-80
В соответствии с Системой машин [99, 100] , шифр М4.3Л0 (M5.2.2I), вибрационный глубокорыхлитель должен агрегатировать-ся с тракторами T-I50K, К-700, K-70I и выполнять рыхление на глубину до 0,8 м. Тогда расстояние между стойками рабочих органов в двухстоечном рыхлителе определится по формуле (П.5.13) и будет равно 1,983 »2,0 м. Поэтому с учетом результатов испытаний вибрационного глубокорыхлителя и согласно методики [55 ] , за базу сравнения при определении годового экономического эффекта выбраны следующие варианты: а) вибрационный глубокорыхлитель ВРН-80-3 + трактор T-I30; б) рыхлитель РНТ-0,8 + трактор T-I30; в) рыхлитель РН-80Б + трактор T-I30; г) рыхлитель РУ-65-2,5 + трактор T-I30.
Годовой экономический эффект расчитывался по методике [55]. Исходные данные для расчета годового экономического эффекта приведены в приложении 12, а результаты расчета - в табл. 5.1 и 5.2. При расчете использовались данные [26, 27, 40, 54, 56, 70, 71, 72, 82, 83, 84, 96, 98, 100, 103, НО] .
Анализ экономической характеристики вибрационного глубокорыхлителя проведем на основании методик [42, 56] , которая заключается в сопоставлении достигнутого коэффициента прогрессивности новой машины с нормативным и граничным значением (определении области эффективности новой машины и вероятности гарантии получения положительного экономического эффекта при ее внедрении в сельское хозяйство). Для этого определим следующие показатели.
