Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 9
1.1. Почвозащитные технологии и средства механизации 9
1.2. Система обработки почвы в условиях республики Башкортостан 14
1.3. Перспективы создания универсальных орудий 26
1.4. Постановка проблемы, цель и задачи исследования 33
2. Методика исследования 35
2.1. Общие положения 3 5
2.2. Программа исследования 38
2.3. Методика получения исходной информации 39
2.4. Методика проведения теоретических исследований 41
2.5. Методика экспериментальных исследований 44
2.5.1. Методика регистрации энергетических показателей 49
2.5.2 Методика определения агротехнических показателей 51
2.5.3. Методика обработки экспериментальных данных 51
2.5.4. Методика определения погрешности измерений 52
3. Теоретические основы разработки противозрозионных орудий 54
3.1. Анализ функционирования МТА как системы 54
3.2. Определение ширины захвата и скорости движения орудия 58
3.3. Энергетическая оценка рабочих органов 59
3.4. Обоснование конструктивных схем и параметров орудия 71
3.5. Силовой анализ орудия 81 Выводы по главе 86
4. Обоснование рациональных параметров универсальных противоэрозионных орудий 89
4.1. Выбор конструктивных схем и параметров орудий 89
4.2. Разработка универсальных противоэрозионных орудий 92
4.3. Результаты производственных испытаний 97
Выводы по главе 100
5. Основы формирования парка почвообрабатывающих машин и технико-экономическая оценка результатов исследований 102
5.1. Общие положения 102
5.2. Основы формирования парка почвообрабатывающих машин 102
5.2.1. Расчет потребного количества средств механизации для основной обработки почвы 105
5.2.2. Основы формирования парка машин 108
5.3. Определение основных технико-экономических показателей р азработанных орудий 112
5.4. Экономическая эффективность использования универсальных орудий 116
Основные выводы 122
Литература 124
Приложение 134
- Перспективы создания универсальных орудий
- Методика регистрации энергетических показателей
- Энергетическая оценка рабочих органов
- Основы формирования парка почвообрабатывающих машин
Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование противоэрозионных
почвообрабатывающих орудий с начала их производства происходило непрерывно. В процессе его изменялись типы и параметры рабочих органов, оптимизировались конструктивные схемы орудий, подъ-емно-установительные механизмы и способы агрегатирования. Однако противоэрозионные орудия для тракторов любого класса тяги снабжались однооперационными рабочими органами (плоскорежущие лапы, стойки СибИМЭ, чизели, щелеватели), которые отличались друг от друга их количеством, конструктивной схемой орудия и параметрами подъемно-установительных механизмов.
Концепцией развития почвообрабатывающих машин и агрегатов на период до 2005 г. было намечено создание и внедрение комбинированных универсальных и высокоунифицированных семейств машин и агрегатов, которые позволят сократить их номенклатуру на 50%, уменьшить металлоемкость до 35% и снизить расход топлива до 25%. Использование сменных рабочих органов, обеспечивающих, при щадящем воздействии их на почву, высокое качество основной обработки почвы и энергосбережение, позволит повысить урожайность и снизить себестоимость возделываемых культур.
В связи с этим предлагаемая работа, направленная на создание и внедрение противоэрозионных комбинированных, универсальных и унифицированных почвообрабатывающих машин для основной обработки почвы, является актуальной, способствующей повышению эффективности обработки почвы.
Целью работы является создание и обоснование параметров универсальных и унифицированных противоэрозионных машин, отвечающих требованиям энергопочвосберегающих технологий.
Задачи исследования
Определить энергоемкость универсального орудия со сменными рабочими органами.
Обосновать конструктивные схемы и параметры универсальных и унифицированных противоэрозионных орудий к тракторам класса тяги 3 и 4 т.
Провести расчет потребного количества парка почвообрабатывающих машин и технико-экономической эффективности внедрения разработанных машин.
Объектом исследования является технологический процесс работы противоэрозионных универсальных и унифицированных орудий.
Предмет исследования - закономерности взаимодействия сменных рабочих органов универсальных орудий с почвой.
Научная новизна. Составлены и реализованы кинематическая и статическая модели универсальных почвообрабатывающих машин для оценки и сравнения различных их конструктивных схем. Получены зависимости и установлены закономерности изменения энергетических и агротехнических показателей работы почвообрабатывающих машин от конструктивных параметров рабочих органов и схем орудий. Обоснованы конструктивные схемы и параметры универсальных почвообрабатывающих машин для тракторов класса тяги 3 и 4 т. Проведен расчет потребного количества парка почвообрабатывающих машин.
Практическая значимость и реализация работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны универсальные культиваторы-плоскорезы (КП-ЗС и КП-5С) и плоскоре-зы-глубокорыхлители (ПГ-2С и ПГ-ЗС) для тракторов класса тяги 3 и 4 т, позволяющие выполнять плоскорезную обработку на глубину до 16 см, глубокое рыхление на глубину до 30 см, щелевание (чизелева-ние) на глубину до 40 см и плоскорезную обработку до 16 см с одновременным щелеванием на глубину до 35 см. Отдельные узлы универсальных орудий (механизм навески, устройства крепления рабочих органов на раме орудия, механизм регулирования опорных колес) унифицированы. Разработанные машины прошли государственные испытания на Поволжской МИС и рекомендованы к серийному производству. Культиваторы-плоскорезы КП-ЗС и КП-5С и плоскорезы-глубокорылители ПГ-2С и ПГ-ЗС для тракторов класса тяги 3 и 4 т выпускаются на Стерлитамакском заводе «Строймаш».
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях ЧГАУ в 1996-2003 гг., а также в Министерстве сельского хозяйства Республики Башкортостан 1998-2002 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных статей и издана одна монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной лите-
1 ч* «Г ^ г
ратуры из 100 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 138 стр.машинописного текста, содержит 36 рисунков и 26 таблиц.
Перспективы создания универсальных орудий
Важным элементом системы земледелия республики является обеспеченность тракторами и почвообрабатывающей техникой, способные реализовать различные способы почвозащитной технологии. Для этого был рассмотрен парк машин используемых для проведения основной об работки почвы. Наличие тракторов и динамика изменения их за 1991-2002 гг. представлены в таблице 1.5.
Анализ данных показывает тенденцию увеличения количества тракторов до 1995 года, а затем происходит их снижение. В то же время приобретение тракторов в последние годы резко сократилось, что привело к старению парка тракторов и снижению коэффициента готовности в загруженные периоды полевых работ.
Еще хуже обстоит дело с наличием и состоянием почвообрабатывающих машин. В таблице 1.6 представлены данные о наличии почвообрабатывающих машин. В республике плугов для отвальной обработки почвы достаточно, а орудия для безотвальной обработки почвы значительно ниже, нормативных показателей. Кроме того, имеющиеся орудия для безотвальной обработки почвы в основном предназначены для работы с тракторами класса тяги 5. Однако доля их составляет всего 7,7% от общего количества пахотных тракторов. Хозяйства республики были не в состоянии пополнить парк почвообрабатывающих машин для безотвальной обработки почвы по двум причинам. Во-первых, плоскорезные орудия выпускались заводами, находящимися за пределами РФ и, во-вторых, из-за дороговизны импортной техники. Решение данной проблемы возможно только за счет разработки и постановки на производства противоэрозионных машин для тракторов различного класса тяги в пределах республики.
Одним из путей снижения материальных и трудовых затрат при создании сельскохозяйственных машин, внедрении интенсивных и ресурсосберегающих технологий является применение принципов блочно-модульного построения. Сущность блочно-модульного построения машин состоит в разработке совокупностей изделий, объединенных общностью технических решений, с использованием ограниченной номенклатуры составных частей. Число и вид составляющих модулей определяется совокупностью выполняемых технологических процессов. Применительно к почвообрабатывающим машинам число и вид модулей вытекают из самой сущности технологического процесса обработки почвы. В общем случае обработка почвы есть процесс целенаправленного механического воздействия орудия на почву с целью изменения ее состояния путем перевода физико-механических свойств из исходного состояния в требуемое- Причем процесс перевода осуществляется посредством простого механического воздействия какого-либо рабочего органа, представляющего собой твердое тело, перемещающегося в почве и нарушающего ее начальную структуру за счет взаимодействия с ней. Так как результатом обработки является неравновесное состояние почвы, то в любом случае обработка почвы - это процесс подвода к ней некоторого количества энергии с целью изменения ее свойств и достижения с точки зрения агротехнической науки оптимального сложения, при котором получается максимальный эффект (например, урожайность возделываемых культур). Если исходить из этих положений, то почвообрабатывающие машины должны состоять из двух модулей: энергетического и технологического. Энергетический модуль - быстростыкуемая составная часть машинно-тракторного агрегата, оформленная блоком модулей и включающая источник энергии, устройства ее передачи и управления агрегатом. Технологический модуль - быстростыкуемая часть почвообрабатывающего орудия, оформленная блоком модулей, воздействующих рабочими органами непосредственно на почву.
Методика регистрации энергетических показателей
Методика определения агротехнических показателей работы разработанных орудий составлена на основе стандарта РД. 10.2.2. -89. Агротехническая оценка включает:
составление характеристики опытного поля;
выбор режимов работы;
определение показателей качества работы;
обработку и анализ полученных данных.
При составлении характеристик опытного участка определялись тип почвы, рельеф поверхности поля, влажность и твердость почвы.
Твердость и влажность почвы определялись для горизонтов почвы 0 10, 10...20, 20...30 см. При выборе режимов работы агрегатов учиты вались скорость движения и глубина обработки почвы, агротехнические требования и условия зоны проведения опытов. Все опыты проводились при плоскорезной обработке до 30 см и щелевании до 40 см на скоростях 2...3 м/с.
В опытах определялись следующие агротехнические показатели:
глубина обработки;
степень сохранения стерни;
степень крошения почвы
гребнистость поверхности поля;
Необходимые приборы и оборудования для определения агротехнических показателей работы орудий, а также методы их замеров выбирались согласно требованиям стандарта РД. 10.2.2. -89.
Важным этапом исследования является обобщение экспериментальных данных. При проведении экспериментов в полевых условиях первичная информация получена в виде числовых значений (массивов). Для по лучения полной характеристики процесса работы орудия, полученные данные обрабатывались с получением статистических показателей: математического ожидания, дисперсии, среднеквадратического отклонения и коэффициента вариации. Полученные зависимости в виде графиков аппроксимировались методом наименьшего квадрата с установлением уравнения регрессии и выводом достоверности расчетов (показатель R2) [16].
Выбор длины участка при проведении полевых опытов зависит от цели и задач исследования. Если результаты опытов предназначены для анализа с получением статистических показателей, то выбор длины участка производится по известной методике с использованием формулы:
где Т - время проведения опытов, с; ттах - период низкочастотной гармоники реализации; є - допустимая ошибка (є=2%). Учитывая, что ттах = —, где со = 0,8...1,2 I/м значение Т состав со ляет 40..70 с. Тогда длина L=T-V опытного участка, с учетом скорости движения агрегата V, находилась в пределах 60..200 м. Погрешность записей и обработки показателей, полученных с использованием тензометричєского измерительного комплекса, включает в себя погрешности градуировки приборов, измерений и вычислений. Предельная ошибка записи тензосигналов при усилении не превышает 5%.
В процессе проведения опытов из-за погрешностей замеров возникает необходимость оценки точности результатов, полученных в ходе исследований. [16,45,46]
К основным видам погрешностей относятся погрешности, появляющиеся при измерении положения объекта относительно базы,. погрешно сти, вызываемые отклонениями в измерительных приборах и погрешности вызванные измерением глубины обработки.
Поскольку в работе использованы современные приборы и аппаратура, погрешности измерений не превышают 2 %, что ниже допустимых -5%.
Энергетическая оценка рабочих органов
В технологической системе агротехнических мероприятий по возделыванию сельскохозяйственных культур обработка почвы решает комплекс задач: сохранение и повышение ее плодородия, создание оптимальной структуры почвы и получение высоких урожаев; уничтожение сорной растительности; накопление в почве влаги и т.д. Поэтому выбор рационального способа обработки почвы и соответствующего почвообрабатывающего орудия для его выполнения становятся важной проблемой, возникающей перед сельскохозяйственным производителем.
Различные способы обработки почвы во многом обуславливают ее физические свойства. Так как результатом обработки почвы является перевод пахотного горизонта из исходного состояния в требуемое, то важное значение имеет строение пахотного слоя почвы, которое определяется, главным образом, ее плотностью. Многочисленными исследованиями [30,33,38,47,50,60,67,69,71,86] установлено, что увеличение или уменыне-ние плотности почвы по сравнению с оптимальной на 0,1...0,3 г/см приводит к снижению урожайности на 20...40 %. Поэтому одна из основных задач обработки почвы состоит в регулировании ее плотности. Чтобы регулировать плотность почвы необходимо знать ее исходное состояние и на основе этого выбирать способы обработки. При таком подходе возникает вопрос, в каком состоянии находится сложение почвы в каждом конкретном случае, на какую глубину и каким образом следует ее обработать. Очевидно, зная ответ на поставленный вопрос, можно применять, а, при необходимости, и создавать нужную почвообрабатывающую машину.
Если рассматривать вопрос создания новой машины, то необходимо учитывать уровень нынешнего состояния существующих машин и возможность их дальнейшего усовершенствования. Исходя из этих положений, следует отметить, что существующая система машин для противоэро-зионной обработки почв представлена, главным образом, орудиями с безотвальными рабочими органами различных типов: плоскорезные лапы, глубокорыхлители, щелеватели, чизели. Преобладающими рабочими органами являются штоскорезные рабочие органы. Вместе с тем практикой доказано, что многолетнее применение плоскорезных орудий и интенсивное воздействие тяжелых тракторов и машин на почву привели к тому, что плотность подпахотного горизонта оказалась значительно (иногда на порядок) выше, чем пахотного. Следствием этого стало образование «плужной подошвы», как предпосылки к процессу развития водной эрозии почвы. Чтобы разрушить «плужную подошву» и предотвратить водную эрозию почвы, особенно на склонах, применяют щелерезные и чизельные рабочие органы [15,44,83,84]. Это обстоятельство позволяет заключить, что перспективным направлением является создания новых универсальных и унифицированных противоэрозионных машин, которые позволяли бы выполнять различные операции обработки почвы.
С целью обоснования возможности создания универсальных противоэрозионных почвообрабатывающих машин с различными рабочими органами, проведем анализ энергоемкости технологических процессов обработки почвы. Возможными вариантами установки рабочих органов на универсальную раму орудия могут быть плоскорезные лапы, глубокорых-лители, щелеватели, чизели и комбинация плоскорезных лап и щелевате-лей. Конструктивные и технологические параметры этих рабочих органов обоснованы. Отдельные орудия с такими рабочими органами были разработаны и выпускались до 1990 года на заводах бывших союзных республик. Рассматривая работу рабочих органов по технологическому принципу, выделим плоскорезные (рисунок 3.2) и рыхлительные (щелерезные) (рисунок 3.3). Первые обрабатывают почвы на всю ширину захвата, а вторые деформируют почву на заданную глубину обработки, нарезая вертикальные щели. При совмещении плоскорезной обработки с щелеванием верхний слой почвы обрабатывается лапой, затем щелерезом рыхлится нижний слой (рисунок 3.4).
Основы формирования парка почвообрабатывающих машин
На современном этапе развития сельскохозяйственного производства важнейшей составной частью является повышение эффективности произ водства и качества работы. Такая необходимость вызвана изменившимися условиями воспроизводства: удорожанием основных средств, ростом ма териалоемкости и трудоемкости производства продукции, сокращением прироста трудовых ресурсов, возросшими требованиями к качеству вы пускаемых продукций. С экономически точки зрения важны средства, ве дущие к достижению поставленной цели. Эффективность производства зависит не только от уровня научных разработок, сколько от того, как они широко используются в народном хозяйстве. Из большого числа возмож " ных технических и организационных решений следует выбирать такие, которые в данных условиях позволяют получить наилучший экономический и производственный результат.
Необходимость роста эффективности сельскохозяйственного производства вытекает также из требований конкуренции на внутреннем и внешнем рынке. Сейчас не достаточно давать экономическую эффективность разработанной машины, важнее определить уровень удовлетворения существующих и потенциальных сельхозпотребителей на принципах маркетинга. В основе такого подхода лежит комплексное изучение рынка [48].
. Основы формирования парка почвообрабатывающих машин Исследование рынка в классическом понимании включает в себя анализ состояния рынка, который начинается с изучения спроса. При этом для определения реального спроса следует выбрать целевой сегмент рын ка. Чтобы определить минимальный объем (потребное количество) производства разработанных орудий, в качестве целевого рынка рассматривается парк почвообрабатывающих машин сельхозпредприятий Республики Башкортостан с учетом их перехода на почвозащитную систему земледелия. В дальнейшем проводится сегментирование целевого рынка. Данный этап предполагает определение общих признаков, факторов, влияющих на спрос продукции и условное деление их на группы сельхозпотребителей. Проведенные маркетинговые исследования целевого рынка показали, что существуют три группы сельхозпотребителей, которые характеризуются доходностью, рентабельностью, оснащенностью МТП:
1. Крупные рентабельные, безубыточные хозяйства;
2. Хозяйства, имеющие задолженность перед бюджетом, банками и при принятии организационно-экономических мер способные к реабилитации;
3. Мелкие предприятия, крестьянские и кооперативные хозяйства, имеющие слабое техническое оснащение.
По результатам маркетинговых исследований производится оценка параметров рынка, на основании которых строится математическая модель зависимости потребительского спроса от уровня цен и доходов групп потребителей. В общем случае спрос по каждому виду работ можно определить следующей зависимостью:
где N - число групп потребителей; уи - относительная полезность J го вида работы для потребителей 1-ой группы; D( - доход 1-ой группы потребителей; Рл - цена единицы J-ой работы.
Разработку производственной программ оснащения сельхозпотребителей парком нужных машин можно выполнить, используя в качестве основной модели метод производственных функций, позволяющий дать описание не только связей «вход-выход» но и параметров внутреннего состояния производственной системы. В основу построения модели заложено условие получения наибольшей прибыли при сложившихся рыночных отношениях. Обычно прибыль сельхозпредприятия складывается из реализации полученной продукции (F х Ц, где соответственно объем и цена продукции) за вычетом издержек производства (С). Совокупность производственных издержек зависит от объема, однако эта зависимость для разного вида издержек различна:
1. Постоянные расходы (С„), которые практически не зависят от объема продукции, в т.ч. оплата административного персонала, аренда и содержание зданий и сооружений, амортизационные отчисления и т.д.
2. Пропорциональные объему производства (линейные) затраты (С,), которые включают эксплуатационные затраты на ГСМ, ТО, оплата труда механизаторов: С! = а F, где а — обобщенный показатель затрат указанных видов на единицу наработки.
3. «Сверхпропорциональные» (нелинейные) затраты (С2), сюда входят приобретение новых машин и технологий, оплата сверхурочного труда и т.д. Для математического описания этого вида затрат обычно используется следующая степенная зависимость [80]: С2 =b-Fb, где Ьи- коэффициенты аппроксимации, причем h 1.
