Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследований . 8
1.1. Особенности возделывания сельскохозяйственных культур в зонах проявления ветровой эрозии 8
1.2. Влияние распределения минеральных удобрений в почве на урожай 12
I.2.I. Поверхностное внесение минеральных удобрений. 12
Г. 2.2. Внутрипочвенное внесение минеральных удобрений. 16
1.3. Анализ конструкций распределительных устройств для внутрипочвенного рассева семян и удобрений. 20
1.4. Обзор аналитических работ по обоснованию формы и параметров тукораепределителышх устройств 36
1.5. Цель и задачи исследований 45
Глава II. Теоретические 1шедп0сылки к 0б0єн0вшш параметров тукораспрщежтельного устройства 47
2.1. Обоснование формы образующей отражающей поверхности тукораспределителя 47
2.2. Метод построения отражающей поверхности . 58
2.3. Уравнение отражающей поверхности 6Г
2.4. Обоснование формы поперечного сечения направи-. теля 64
Глава III. Програми и методика экспериментальных исследовании 70
3.1. Программа экспериментальных исследований 70
3.2. Экспериментальные установки и приборы 71
3.3. Методика определения скорости частиц высеваемого материала 77
3.4. Методика определения аэродинамических характеристик частиц минеральных удобрений 81
3.5. Методика приготовления и определения устойчивости рассева тукосмеси 83
3.6. Методика определения агротехнических показателей работы глубокорыхлителя-удобрителя 86
3.7. Методика обработки экспериментальных данных 90
Глава ІV. Результаты экспериментальных исследований 93
4.1. Определение аэродинамических характеристик частиц минеральных удобрений 93
4.2. Определение скорости частиц высеваемого материала 97
4.3. Обоснование оптимальной формы и параметров отражающей поверхности тукораспределителя 100
4.3.1. Совершенствование формы отражающей поверхности серийного тукораспределителя 100
4.3.2. Обоснование параметров тукораспределителя, образованного движением криволинейно-вогнутой образующей 112
4.4. Лабораторно-полевые исследования макетных об разцов глубокорыхлителя-удобрителя 125
Глава V. Экономическая эффективность применения орудий для внутршочвенного внесения минеральных удобрении 134
5.1.Проверка эффективности внутрипочвенного внесения минеральных удобрений 134
5.I.I. Закладка полевых опытов 135
5.1.2. Результаты наблюдении. 137
5.2. Расчет экономической эффективности глубокорыхлителя-удобрителя к трактору класса 5 145
Выводы 155
Приложения
- Особенности возделывания сельскохозяйственных культур в зонах проявления ветровой эрозии
- Обоснование формы образующей отражающей поверхности тукораспределителя
- Программа экспериментальных исследований
- Определение аэродинамических характеристик частиц минеральных удобрений
Введение к работе
В решениях ХШ съезда КПСС и Продовольственной программе СССР, принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, планируется довести среднегодовое производство зерна в II пятилетке до 238...243 млн. т, а в 12 пятилетке - до 250...255 млн.т /1,2,4/. В комплексе мероприятий по реализации этих планов важная роль отводится применению минеральных и органических удобрений. Поставки сельскому хозяйству минеральных удобрений должны возрасти с 18,8 млн.т в 1980 г. до 30...32 млн.т в 1990 г. (в пересчете на 100-процентное содержание питательных веществ). При этом выдвигается задача более рационального использования минеральных удобрений путем качественного внесения их в почву.
В условиях применения почвозащитной системы земледелия наиболее эффективным является внутрипочвенное внесение основной дозы удобрений при помощи сеялок, снабженных туковыми или комбинированными сошниками, а также культиваторов-плоскорезов, оборудованных дополнительными приспособлениями для внутрипочвенного внесения удобрений.
При концентрации удобрений на определенной глубине пахотного слоя почвы усиленно развивается только та часть корней, которая находится непосредственно в зоне расположения элементов питания, и этого достаточно для обеспечения поступления питательных веществ в растения при минимальных затратах ими энергии /27/. Это особенно ценно для зон с недостаточным увлажнением, где за вегетационный период верхний (0...I0 см) слой почвы обычно пересыхает. Внесение удобрений во влажные слои почвы ниже высеваемых семян обеспечивает растение питанием в течении всего периода роста культуры, что позволяет повысить содержание белка в зерне на 1,3$, а сбор протеина с гектара - на 37$ по сравнению с разбросным способом.
Важное значение имеет равномерность распределения удобрений. В случае неравномерного распределения удобрений возникает ряд неблагоприятных явлений, как-то: пестрота урожая, ухудшение его качества и неоднородность структуры, неравномерность созревания и уменьшение прибавки от удобрений.. .Чем больше неравномерность рассева удобрений, тем более сказываются ее отрицательные результаты. Неравномерность внесения удобрений, характеризующаяся коэффициентом вариации 25...30$, может снизить урожай зерновых культур на 5...7$ и более /32, 122/.
Существующие распределительные устройства для внутрипочвен-ного внесения удобрений одновременно с плоскорезной обработкой почвы, оборудованные пассивными распределителями, не обеспечивают необходимой равномерности рассева удобрений.
Использованием в этих устройствах энергии струи воздуха можно достичь лишь увеличения ширины рассева, для повышения равномерности необходимо совершенствовать форму отражающих поверхностей.
На защиту выносятся:
универсальный метод построения отражающих поверхностей тукораспределительных устройств;
уравнения для определения координат точек отражающей поверхности.
Результаты исследований использованы при разработке агротехнических требований на глубокорыхлитель-удобритель к трактору класса 5. Рекомендации по параметрам тукораспределительных устройств переданы Головному специализированному конструкторскому бюро по противоэрозионной технике (ГСКБ ПЭТ, г. Целиноград) и реализованы в конструкции глубокорыхлителя-удобрителя ІУН-4.
Научная новизна работы: впервые разработан универсальный метод построения отражающих поверхностей тукораспределительных
устройств, основанный на сложном движении криволинейно-вогнутой образующей. Получены аналитические выражения, позволяющие определять координаты точек отражающей поверхности в зависимости от конструктивных параметров распределительных устройств. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 45 рисунков, список использованной литературы (139 наименований) и приложения.
Особенности возделывания сельскохозяйственных культур в зонах проявления ветровой эрозии
Под эрозией почвы понимается ее разрушение, перенос продуктов разрушения и отложения последних в более или менее отдаленных местах от объекта разрушения /23/.
В районах Европейской и Азиатской части СССР, характеризующихся сухим климатом и сильной ветровой деятельностью, существенный ущерб сельскому хозяйству наносит ветровая эрозия. Всего в нашей стране насчитывается около 92 млн.га эрозионно-опасных пахотных земель, в том числе 47 млн. га - в Казахстане и Западной Сибири и 45 млн. га - в Европейской части страны /22/.
Вопросы динамики движения частиц почвы под воздействием воздушного потока (ветра) рассмотрены в трудах Бараева А.И., Зайцевой А.А., Госсена Э.Ф. /24/, Бочарова А.Л. /33,34/, Захарова П.С. /61/, Звонкова В.В. /62/, Шиятого Е.И. Д34/, Вербицкого В.М. /36,37/ и других исследователей.
Исследованиями ВНИИЗХ установлено, что при отсутствии растительного покрова и пожнивных остатков порогом устойчивости почвы к эрозии является наличие в верхнем слое почвы (0...5 см) 50$ частиц размером менее I мм. Если же в верхнем слое почвы содержится не менее 60% частиц размером более I мм, то такая почва устойчива к эрозии даже при больших скоростях ветра -12,5 м/с на высоте 50 см от поверхности почвы /22,24/.
Почвозащитное значение комочков размером более I мм заключается в том, что они не передвигаются ветром или передвигаются на небольшие расстояния, тем самым препятствуют возникновению скачкообразных движений комочков размером менее I мм, а, следовательно, возникновению ветровой эрозии. Содержание почвозащитных комочков и их связность, присущие почвам в целинном состоянии, сравнительно быстро утрачиваются после распашки и интенсивной обработки.
Г. Конке и А. Бертран указывают, что обработка почвы сама по оебе является сильнейшим, вызывающим эрозию фактором... /77/.
В результате многочисленных исследований была доказана защитная роль стерни и других растительных остатков в уменьшении скорости ветра в приземном слое и защите почвы от солнечного перегрева /38, 134/. При этом бнло установлено количество стерни и растительных остатков, необходимое для выполнения ими своей защитной роли. Так, по данным американских исследователей, для предохранения от ветровой эрозии паровых полей необходимо иметь на поверхности следующее количество стерни и пожнивных остатков: на супесях - 1,4...2,8 т/га; на глинистых почвах - 1,1...2,3 т/га и на илистых жирных суглинках -- 0,8...2,0 т/га /131/. "Оставляя стерню на полях, - считает Р. Дидериксен, - мы могли бы снизить эрозию до менее чем 12 тонн на гектар". Он полагает, что такой уровень приемлем, так как естественные процессы в состоянии образовать такое же количество почвы, чтобы возместить эти потери /80/.
По данннм А.П.. Бочарова при наличии на одном квадратном метре трехсот стоящих стернинок окорость ветра у поверхности почвы практически равна нулю, и даже сильно распыленные легкие почвы при этом не поддаются эрозии.
Сохранение стерни и пожнивных остатков влияет также на накопление и сохранение влаги. По данным А.И. Бараева в 19 году на отвальной зяби снежный покров составил всего 8 см, а на стерневых полях - 22...28 см. В результате глубина промачи-вания почвы за счет талых вод в первом случае не превышала 30 см, а во втором составила 60...80 см. Как результат этого, на стерневых полях запасы продуктивной влаги были в 1,5...2 раза больше, а, соответственно, выше и урожай (на 2...3 ц/га, а в засушливые годы разница еще большая) /30,32/.
Внедрение в СССР, (Ж и ряде других стран почвозащитных систем земледелия, основанных на замене пахоты с оборотом пласта плоскорезной обработкой почвы с максимальным сохранением стерни на поверхности поля, позволило значительно снизить потери пахотного слоя почвы, вызываемые эрозией.
В последние годы в США и Канаде все более широкое распространение находит "минимальная обработка", основой которой является бесплужная обработка почвы и применение комбинированных машин, осуществляющих за один проход всю обработку, посев, а также внесение удобрений и химических средств защиты растений.
Таким образом, отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что технологии возделывания различных сельскохозяйственных культур в степных засушливых районах должны быть подчинены задаче предупреждения ветровой эрозии и максимального сохранения влаги в почве.
Обоснование формы образующей отражающей поверхности тукораспределителя
В реальных условиях при движении материальной частицы по криволинейной образующей действует сила трения, при этом циклоида не является линией, обеспечивающей наибольшую скорость частиц, как это имеет место при движении без трения. С целью обоснования оптимальной формы образующей отражающей поверхности необходимо провести сравнительный анализ ряда кривых. Остановимся на рассмотрении семейства кривых второго порядка. Известно большое количество непрерывных функций второго порядка, графически изображаемых кривыми, которые, в принципе, могут быть использованы для построения отражающих поверхностей Эти кривые описываются достаточно простыми математическими выражениями, удобными для преобразований и проведения сравнительного анализа.
По результатам анализа предшествующих работ и проведенных нами исследований можно сделать вывод о том, что целесообразно ограничиться рассмотрением уравнений трех известных функций -параболы, гиперболы и показательной. Одним из факторов, послуживших причиной такого ограничения, явилось то что отражающие поверхности, в основу которых положены эти кривые, технологичны g изготовлении. Эти кривые характеризуются еще и тем, что имеют на большей части своей протяженности сравнительно малую кривизну, при этом f Угол наклона касательной к вертикали не превышает 6..,10. Исследованиями установлено, что при значениях угла 10 направление скорости гранул после удара приближается к направлению плоскости отражения Д07, 108, 133/. Если участок отражающей поверхности, имеющий малую кри-визну и угол = 10 , разместить таким образом,чтобы именно на него из направителя попадали гранулы удобрений, то все высеваемые гранулы будут иметь приблизительно одинаковый угол соударения с поверхностью отражателя, что иоложительно скажется на работе распределительного устройства.
Для сравнения была взята образующая в виде дуги окружности, т.к. она наиболее часто использовалась для построения по -верхностей известных отражателей.
Критерием при выборе оптимальной образующей служила скорость движения материальной частицы в точке схода с образующей.
С целью выявления факторов, влияющих на величину скорости движения частицы по поверхностям с образующими различной форма, необходимо составить уравнения движения.
В связи с этим решение уравнений было произведено на электронно-вычислительной машине. Если для уравнений (12, 13, 15, 16) задать в начальных условиях одинаковую скорость в верхней точке образующей, то оптимальной будет та образующая, которая по результатам расчета обеспечит наибольшую скорость частиц в конце движения по отражающей поверхности (в нижней точке образующей).
В результате определения границ изменения координаты х , выбиравшихся с учетом конструктивных параметров рабочего органа плоскореза-глубокорыхлителя КПГ-250, задания численных значений входящих в уравнения постоянных величин и коэффициентов, а также вычисления постоянных интегрирования имеем следующее: - для параболы: Q S I; х,= - 4; Хг=0; (Г = 500 см/с при х = - 4. С,= 98982,4 (см2); - для гиперболы: К = I; X, = 0,0625; Хг 4,0625; . IT = 500 см/с при X = 0,0625; Сг= 25152 (см2); - для показательной кривой: 6,= I; X, = -1,3; Хг = 2,72; \r = 500 см/с при X = 2,72; С3= 89636 (см2); - для дуги окружности: СГ = 500 см/с при R = 4; Х,= - 3,95; Хг = 0; X = -3,95; СА= І4Г702 (см2). Для всех четырех уравнений Q = 980 см/с ; f =0,3 Д08,133/.
Результаты расчета приведены на рис. 2.2. Установлено, что наибольшую скорость движения частица имеет при сходе с образующей, имеющей форму параболы (кривая J I).
Разрабатываемое нами распределительное устройство должно устанавливаться на серийные плоскорежущие рабочие органы. Это обстоятельство накладывает жесткие ограничения на габариты распределительного устройства, а именно: а) ширина направителя удобрений не должна превышать шири ны стойки рабочего органа; б) высота распределительного короба не должна быть больше расстояния (по вертикали) от нижней кромки лемехов до верхней кромки подлапника; в) во избежание забивания распределительного устройства вследствие попадания комков удобрений минимальное расстояние между стенками направителя и поверхностью тукс-распределителя должно быть в пределах 10...12 мм.
Эти обстоятельства были определяющими при выборе диапазона изменения коэффициента Q , при котором образующая в виде параболы, описываемой уравнением u ах2, , по своим параметрам может быть применена для построения отражающей поверхности ту-кораспределителя. Установлено, что коэффициент Q может изменяться в пределах от 0,9 (для рабочего органа глубокорыхлите-ля КПГ-2-І50) до 1,2 (для рабочего органа культиватора-плоскореза).
Программа экспериментальных исследований
Программой экспериментальных исследований предусматривалось: 1 - изучение аэродинамических характеристик различных удобрений; 2 - исследование влияния формы образующей отражающей поверхности на дальность полета частиц высеваемого материала; 3 - определение равномерности рассева различных удобрений и тукосмеси в зависимости от - конструктивных параметров тукораспределительного устройства; - нормы внесения удобрений;. - динамического напора воздушного потока; 4 - оценка устойчивости работы туковысевающего устройства при внесении тукосмесей; 5 - исследование влияния распределительного устройства на сепарацию гранул высеваемого материала по ширине рассева; 6 - агротехническая оценка работы глубокорыхлителя-удоб-рителя.
При решении поставленных задач изучалась кинематика полета частиц, брошенных с некоторой высоты под утлом к горизонту, аэродинамические характеристики гранул минеральных удобрений, определялась равномерность распределения по ширине рассева различных минеральных удобрений и тукосмесей в зависимости от конструктивных параметров тукораепределительного устройства, значений динамического напора воздушного потока и норм внесения удобрений. Для этих целей, а также для изучения взаимосвязи протекающих процессов и контроля достоверности показаний приборов при проведении экспериментов замерялись следующие параметры: 1. Высота падения гранул удобрений. 2. Дальность полета гранул после схода с отражающей поверхности. 3. Средневзвешенные скорости витания гранул минеральных удобрений. 4. Фракционный состав удобрений. 5. Влажность удобрений. 6. Норма внесения удобрений. ?. Динамический напор воздушного потока. 8. Скорость движения агрегата. 9. Глубина обработки. 10. Гребнистость поверхности почвы. 11. Качество крошения пласта. 12. Аграрный состав почвы в слое 0...5 см. 13. Сохранение стерни. 3.2; Экспериментальные установки и приборы,
Лабораторные исследования, связанные с определением равномерности распределения высеваемого материала по ширине рассева, проводились на специальной лабораторной установке (рис. 3.1), состоящей из рамы, на которой установлен бункер с удобрениями и
Лабораторно-полевые иоследования проводились с использованием макетных образцов глубокорыхлителя-удобрителя к трактору класса 50 кН (рис. 3.4). . Макетный образец глубокорыхлителя-удобрителя состоит из следующих основных узлов: - рамы с навесным устройством; - тукового бункера с тремя туковысевающими аппаратами АТД-2М; - вентилятора И-І4-46.& 2,5 с приводом от гидромотора МНШ-46У и воздухопроводами; - трех плоскорежущих рабочих органов с тукораспределителъ-ными устройствами; -. двух опорно-приводных колес. Принцип работы глубокорыхлителя-удобрителя следующий. При движении агрегата плоскорежущие рабочие органы производят подрезание и рыхление почвенного пласта. Туковысевающие аппараты подают удобрения из бункера в направители, туда же от вентилятора подается воздух, который разгоняет падающие частицы удобрений и подает их к распределительным устройствам. Распределительные устройства распределяют гранулы по дну борозды на ширину захвата рабочих органов, а взрыхленный пласт почвы, опускаясь, засыпает их.
Определение аэродинамических характеристик частиц минеральных удобрений
Проведенными исследованиями установлено, что улучшения равномерности рассева минеральных удобрений серийным тукораопреде-лителем, установленным на КПГ-2,2, можно достичь, если вместо конической поверхности (с прямыми образующими) установить поверхность вращения с образующими, представляющими собой сочетание прямой линии и дуги окружности радиуса г (рис. 4.3).
Для определения оптимальных параметров поверхности вращения были изготовлены модели поверхностей (рис, 4.4) со следующими параметрами: - высота П , мм - 50, 55, 60; - утол при вершине 2 Y , град. - 50, 55, 60; - диаметр основания d( , мм - 85, 95, 105, 115 и 125; - радиус закругления г , мм - 15, 20, 25, 30.
Все исследуемые модели имели угол схода 0...2. В этих исследованиях применялся направитель прямоугольного сечения размером 60 х 30 мм. Указанные размеры можно считать оптимальными, т.к. проходное сечение направителя достаточно велико, чтобы обеспечить устойчивое без забивания внесение больших (до 6 п/га) доз удобрений, в то же время внешние габариты направителя практически не оказывают влияния на энергетические и агротехнические показатели работы орудия, т.к. ширина направителя не превышает ширины стойки рабочего органа AI5/.
В таблице 4,5 приведены результаты исследований зависимости равномерности рассева от высоты поверхности вращения. Исследования проводились с использованием двойного гранулированного суперфосфата при норме внесения 160 кг/га и Ра =55 НДг.
Лучшее качество распределения, соответствующее коэффициенту вариации 0" = 15,7$, получено при высоте поверхности вращения h, = 55 мм. Таблица 4.5 Зависимость равномерности рассева от высоты поверхности вращения Высота поверхности вращения hi , ММ 50 . 55 ] 60 Средний высев в один лоток m , р 9,0 8,9 9,1 Среднеквадратическое отклонение Є , г 1,68 1,39 2,33 Коэффициент вариации If , % 18,5 15,7 25,6 Увеличение неравномерности рассева при меньшей и большей высоте объясняется, естественно, увеличением и уменьшением проходного сечения направителя между его отенкой и поверхностью вращения.
В дальнейших опытах использовались модели с высотой поверхности вращения К, = 55 им.
Анализ данных, приведенных в таблице 4.6, свидетельствует о том, что изменение угла при вершине поверхности вращения 1у оказывает влияние на равномерность распределения удобрений, при этом характер изменения равномерности такой же, как и при изменении высоты поверхности.
Таблица 4.6 Зависимость равномерности рассева от угла при вершине поверхности вращения Угол при вершине 1 ф1 , град \ 50 ; 55 60 Средний высев в один лоток m , г 8,0 8,3 8,2 Ореднеквадратическое отклонение 6 , г 1,33 1,24 1,34 Коэффициент вариации IT , % 16,6 14,9 16,4
Исследованиями зависимости равномерности рассева удобрений от d, при различных значениях угла при вершине поверхности вращения 2 у установлено, что при всех значениях угла 2 ifj с увеличением диаметра основания от 85 до 105 мм наблюдается заметное улучшение качества распределения, однако при дальнейшем увеличении диаметра основания до 115 и 125 мм равномерность распределения остается практически постоянной (рис. 4.5). В связи с этим в последующих опытах использовались модели с диаметром основания d, = 105 мм и углом при вершине поверхности вращения 2 4 = 55, т.к. они имеют меньшие габариты по сравнению с моделями о1, =115 мм и d, =125 мм.
