Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса механизации локального внесения минеральных удобрений и задачи исследований 12
1.1. Физико-механические свойства твердых минеральных удобрений, определяющие процесс их высева ... 12
1.2. Анализ технических средств для локального внесения минеральных удобрений 18
1.2.1. Туковысевающие аппараты, свободно выносящие материал. 18
1.2.2. Выгребающие туковысевающие аппараты... 22
1.2.3. Выталкивающие туковысевающие аппараты.. 24
1.2.4. Вибрационные туковысевающие аппараты... 28
1.2.5. Пневматические туковысевающие аппараты. 30
1.3. Основные требования к туковысевающим аппаратам, обоснование и выбор обьекта исследований 33
1.3.1. Агротехнические требования к туковысе-вающим аппаратам 33
1.3.2. Эксплуатационные и конструктивные требования к туковысевающим аппаратам 34
1.3.3. Обоснование принципиальной схемы туко-высевающего аппарата 35
1.4. Обзор результатов исследований по гравитационному истечению материала из бункеров
1.5. Обзор результатов исследований рабочих органов туковысевающих аппаратов * 40
1.6. Выводы к главе I, формулирование рабочих гипотез, постановка задач исследований 44
Глава II. Механико-технологические основы процесса подачи минеральных удобрений шнеково-лопастным туковысевающим аппаратом . 46
2.1. Условие самоочистки лопастей высевающего барабана 46
2.2. Движение материала по лопасти высевающего барабана 50
2.3. Движение материала по лотку 58
2.4. Производительность туковысевающего аппарата., 61
2.5. Мощность на привод высевающего барабана 63
2.6. Обоснование параметров и режимов работы туковысевающего аппарата 64
2.7. Выводы к главе П 67
Глава III. Лабораторные исследования процесса подачи минеральных удобрений шнеково-лопастным туковысевающим аппаратом 69
3.1. Программа исследований 69
3.2. Экспериментальная установка 70
3.3. Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных 73
3.4. Результаты исследований , 77
3.4,1. Производительность туковысевающего аппарата 77
3.4.2. Зависимость производительности туковысе-вающего аппарата от уровня удобрений в бункере 82
3.4.3. Установка лопастей высевающего барабана и производительность аппарата 85
3.4.4. Разрушение гранул удобрений высевающим барабаном 86
3.4.5. Мощность на привод высевающего барабана... 88
3.5. Сравнительные характеристики качества работы туковысевающих аппаратов для локального внесения удобрений 93
3.5.1. Производительность туковысевающих аппаратов 93
3.5.2. Равномерность высева 93
3.5.3. Устойчивость высева 97
3.5.4. Постоянство высева 99
3.6. Выводы к главе Ш 102
Глава ІV. Лабораторно-полевые исследования шнеково-лопастного туковысевающего аппарата 104
4.1. Программа исследований , 104
4.2. Экспериментальная туковая сеялка 104
4.3. Методика лабораторно-полевых исследований... 106
4.4. Результаты исследований 108
4.4.1.Высевающая способность сеялки 108
4.4.2.3ависимость высева от скорости движения 108
4.4.3.Равномерность высева 108
4.4.4.Равномерность высева тукосмеси НО
4.4.5.Постоянство высева НО
4.5. Выводы к главе ІУ 112
Глава V. Внедрение результатов исследований . 114
5.1. Методика инженерного расчета шнеково-лопастного туковысевающего аппарата .. 114
5.2. Разработка конструкции туковой сеялки.. 116
5.3. Экономическая эффективность туковой сеялки для локального внесения минеральных удобрений 123
Обще выводы и предложения 129
Список использованных источников 133
Приложения 141
- Физико-механические свойства твердых минеральных удобрений, определяющие процесс их высева
- Условие самоочистки лопастей высевающего барабана
- Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных
- Методика инженерного расчета шнеково-лопастного туковысевающего аппарата
Введение к работе
Химическая промышленность нашей страны непрерывно увеличивает производство минеральных удобрений, являющихся важнейшим фактором интенсификации сельскохозяйственного производства и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Решением ХХУІ съезда КПСС намечено довести к 1985 году поставку минеральных удобрений сельскому хозяйству до 115 млн. тонн, значительно улучшив их качество [і] . Увеличение производства минеральных удобрений обязывает сельскохозяйственную науку исследовать пути рационального их использования, разрабатывать и внедрять новые способы и технологии внесения в почву [2,3] .
Из новых способов внесения минеральных удобрений наиболее прогрессивным и изученным является локальный, когда удобрения вносят в почву лентами на заданную глубину и соответствующим размещением по отношению к корням растений.
Многочисленными исследованиями [5,7,9,II,13,15,26J установлено, что при локальном внесении минеральных удобрений урожай зерновых колосовых культур в сравнении с разбросным внесением увеличивается на 10.,.15, кукурузы - 18...22, картофеля - 15...20; льна - 10...12 процентов. Качество продукции при этом улучшается. Кроме того, применение нового способа внесения удобрений позволяет добиться значительной экономии туков, так как для получения равного с разбросным способом прироста урожая удобрений при локальном требуется значительно меньше [б] .
Локальный способ внесения минеральных удобрений широко применяется за рубежом. Так, в Финляндии в настоящее время минеральные удобрения вносят локально более, чем на половине площади зерновых культур [б] . Такое успешное внедрение нового способа внесения удоб-
рений стало возможным благодаря освоению фирмами выпуска специальных машин. Комбинированные сеялки финского производства, наряду с высевом семян зерновых, способны вносить в почву локальным спосо- , бом до 1500 кг/га минеральных удобрений. Подобные комбинированные сеялки выпускаются в США, Великобритании, ФРГ, Италии, Голландии, Швеции.
Кроме агрономического преимущества, локальное внесение минеральных удобрений имеет и организационно-экономическое. Так, применение комбинированных сеялок в Германии, по подсчетам Юнга, позволяет экономить до 40$ всех затрат на посев и внесение удобрений
И.
В нашей стране локально минеральные удобрения вносят лишь небольшими дозами при посеве и подкормке сельскохозяйственных культур. Этот способ пока что не нашел широкого распространения по той причине, что нет научно-обоснованной технологии его применения, не созданы технические средства для осуществления новой технологии,нег приемлемых технических решений туковысевающих аппаратов для локального внесения минеральных удобрений в почву.
В работах, выполненных по изысканию и исследованию рабочих органов мышин для внесения удобрений, изучены технологические процессы забора, дозирования и подачи удобрений при поверхностном разбросном их внесении [22,39,45,63] . Созданные туковысевающие аппараты для локального внесения минеральных удобрений, не в полной мере удовлетворяют агротехнические требования локального внесения больших доз туков, технологические и эксплуатационные требования к таким машинам [49,50,57,64]
В связи с этим возникает настоятельная необходимость в обосновании типов и параметров машин для локализации туков, разработке и исследовании рабочих органов для них. Решению указанных задач и посвящена настоящая диссертационная работа.
-II-
В диссертации обоснованы принципиальная схема, тип и конструк-ция устройства для локального внесения минеральных удобрений. Определены оптимальные параметры и режимы работы принципиально нового туковысеващего аппарата. Получены расчетные зависимости для определения его производительности и потребной мощности. Разработана методика инженерного расчета шнеково-лопастных туковысеващих аппаратов.
Настоящая работа является составной частью научно-исследовательских работ, проводимых в ВИМе, УНИИМЭСХе, ЦНИИМЭСХе и других научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях по созданию машин для локального внесения минеральных удобрений.
Внедрение результатов исследований позволит уже в ближайшие годы повысить урожай зерновых культур на 0,3...0,4 тонны, что составляет половину прироста урожайности, предусматриваемого Продовольственной программой СССР [з] .
Разработанные технические решения и полученные результаты исследований могут быть использованы при создании комбинированных и специальных машин для локального внутрипочвенного, а также сплошного поверхностного внесения гранулированных минеральных удобрений.
В решение проблемы создания машин для локального внесения минеральных удобрений привносятся новые принципы работы туковысеваю-щего аппарата, его конструктивное решение, а также закономерности процесса дозирования и подачи удобрений шнеково-лопастным рабочим органом.
На защиту выносятся следующие основные положения:
конструктивно-технологическая схема туковысевающего аппарата для локального внесения удобрений ;
теоретические и экспериментальные исследования процесса высева удобрений шнеково-лопастным аппаратом, обоснование его конструктивных параметров и режимов работы.
Физико-механические свойства твердых минеральных удобрений, определяющие процесс их высева
Химическая промышленность нашей страны непрерывно увеличивает производство минеральных удобрений, являющихся важнейшим фактором интенсификации сельскохозяйственного производства и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Решением ХХУІ съезда КПСС намечено довести к 1985 году поставку минеральных удобрений сельскому хозяйству до 115 млн. тонн, значительно улучшив их качество [і] . Увеличение производства минеральных удобрений обязывает сельскохозяйственную науку исследовать пути рационального их использования, разрабатывать и внедрять новые способы и технологии внесения в почву [2,3] .
Из новых способов внесения минеральных удобрений наиболее прогрессивным и изученным является локальный, когда удобрения вносят в почву лентами на заданную глубину и соответствующим размещением по отношению к корням растений.
Многочисленными исследованиями [5,7,9,II,13,15,26J установлено, что при локальном внесении минеральных удобрений урожай зерновых колосовых культур в сравнении с разбросным внесением увеличивается на 10.,.15, кукурузы - 18...22, картофеля - 15...20; льна - 10...12 процентов. Качество продукции при этом улучшается. Кроме того, применение нового способа внесения удобрений позволяет добиться значительной экономии туков, так как для получения равного с разбросным способом прироста урожая удобрений при локальном требуется значительно меньше [б] .
Локальный способ внесения минеральных удобрений широко применяется за рубежом. Так, в Финляндии в настоящее время минеральные удобрения вносят локально более, чем на половине площади зерновых культур [б] . Такое успешное внедрение нового способа внесения удобрений стало возможным благодаря освоению фирмами выпуска специальных машин. Комбинированные сеялки финского производства, наряду с высевом семян зерновых, способны вносить в почву локальным спосо- , бом до 1500 кг/га минеральных удобрений. Подобные комбинированные сеялки выпускаются в США, Великобритании, ФРГ, Италии, Голландии, Швеции.
Кроме агрономического преимущества, локальное внесение минеральных удобрений имеет и организационно-экономическое. Так, применение комбинированных сеялок в Германии, по подсчетам Юнга, позволяет экономить до 40$ всех затрат на посев и внесение удобрений В нашей стране локально минеральные удобрения вносят лишь небольшими дозами при посеве и подкормке сельскохозяйственных культур. Этот способ пока что не нашел широкого распространения по той причине, что нет научно-обоснованной технологии его применения, не созданы технические средства для осуществления новой технологии,нег приемлемых технических решений туковысевающих аппаратов для локального внесения минеральных удобрений в почву. В работах, выполненных по изысканию и исследованию рабочих органов мышин для внесения удобрений, изучены технологические процессы забора, дозирования и подачи удобрений при поверхностном разбросном их внесении [22,39,45,63] . Созданные туковысевающие аппараты для локального внесения минеральных удобрений, не в полной мере удовлетворяют агротехнические требования локального внесения больших доз туков, технологические и эксплуатационные требования к таким машинам [49,50,57,64] В связи с этим возникает настоятельная необходимость в обосновании типов и параметров машин для локализации туков, разработке и исследовании рабочих органов для них. Решению указанных задач и посвящена настоящая диссертационная работа. В диссертации обоснованы принципиальная схема, тип и конструк-ция устройства для локального внесения минеральных удобрений. Определены оптимальные параметры и режимы работы принципиально нового туковысеващего аппарата. Получены расчетные зависимости для определения его производительности и потребной мощности. Разработана методика инженерного расчета шнеково-лопастных туковысеващих аппаратов. Настоящая работа является составной частью научно-исследовательских работ, проводимых в ВИМе, УНИИМЭСХе, ЦНИИМЭСХе и других научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях по созданию машин для локального внесения минеральных удобрений. Внедрение результатов исследований позволит уже в ближайшие годы повысить урожай зерновых культур на 0,3...0,4 тонны, что составляет половину прироста урожайности, предусматриваемого Продовольственной программой СССР [з] . Разработанные технические решения и полученные результаты исследований могут быть использованы при создании комбинированных и специальных машин для локального внутрипочвенного, а также сплошного поверхностного внесения гранулированных минеральных удобрений. В решение проблемы создания машин для локального внесения минеральных удобрений привносятся новые принципы работы туковысеваю-щего аппарата, его конструктивное решение, а также закономерности процесса дозирования и подачи удобрений шнеково-лопастным рабочим органом.
Условие самоочистки лопастей высевающего барабана
Для определения коэффициента подвижности материала необходимо знать величину нормальных и касательных напряжений.
Теоретических зависимостей для определения мощности на привод лопастного высевающего барабана в литературе нет. Однако, в работе [48] установлено, что необходимая мощность при движении лопасти в сыпучей среде зависит от большого количества факторов: угловой скорости лопатки, длины и высоты ее, высоты слоя материала над лопастью, насыпной плотности и других физических свойств материала.Авто-рами упомянутой работы получена эмпирическая зависимость для определения мощности на привод лопатки, вращающейся вокруг вертикальной оси в среде сыпучего материала: Производительность и расход энергии на подачу удобрений могут быть описаны общими функциональными зависимостями, константы и показатели степени которых должны определяться экспериментально. Качественные показатели работы туковысевающих аппаратов не могут быть определены теоретически ввиду сложности процесса; они должны определяться в каждом конкретном случае опытным путем, 1.6. Выводы к главе I, формулирование рабочих гипотез, постановка задач исследований Проведенный краткий анализ конструкций существующих туковысевающих аппаратов для локального внесения минеральных удобрений, а также исследований гравитационного истечения насыпных материалов из бункеров, рабочего процесса шнековых, лопастных, мотыльковых рабочих органов позволяет сделать следующие выводы: I. Существующие рабочие органы питателей и туковысевающих аппаратов не удовлетворяют агротехнические и эксплуатационные требования, предъявляемые к аппаратам для локального внесения минеральных удобрений. Z. Одним из перспективных рабочих органов является шнеково-ло-пастной туковысевающий аппарат. 3. Данных об исследовании рабочего процесса шнеково-лопастного туковысевающего аппарата в литературе нет, а наиболее близкий к нему рабочий процесс мотылькового высевающего аппарата изучен при высеве семян, но недостаточно. Нет теоретического обоснования его параметров, которые выбираются экспериментально для каждого вида семян. 4. Полученные эмпирические зависимости для определения мощности на привод лопатки, вращающейся в сыпучей среде, не могут быть применены для высевающего барабана в силу значительного отличия его рабочего процесса. Для изучения процесса подачи минеральных удобрений шнеково-лопастным туковысевающим аппаратом и определения оптимальных параметров и режимов его работы разработана следующая программа исследований. 1. Изучить закономерности движения минеральных удобрений по лопасти и лотку туковысевающего аппарата. 2. Обосновать оптимальные параметры туковысевающего аппарата и режимы его работы. 3. Получить математические зависимости для определения производительности и потребной мощности аппарата. 4. Проверить и уточнить в лабораторних условиях основные теоретические зависимости, касающиеся закономерностей процесса подачи, выбрать оптимальные параметры и режимы работы шнеково-лопастного туковысевающего аппарата, определить эмпирические коэффициенты для инженерного расчета. 5. Изучить качественные показатели работы шнеково-лопастного туковысевающего аппарата и сравнить его характеристики с существующими аппаратами. 6. Проверить в полевых условиях качественные показатели работы туковысевающего аппарата и соответствие их агротехническим требованиям. 7. Разработать методику расчета параметров и режимов работы шнеково-лопастных туковысевающих аппаратов. 8. Определить основные технико-экономические показатели туковой сеялки для локального внесения минеральных удобрений.
Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных
Производительность туковысевающего аппарата определяли при изменении диаметра высевающего барабана, частоты его вращения и сечения высевного отверстия /табл.3.I/. Для этого на туковысеваю-щий аппарат устанавливали высевающий барабан определенного диаметра и снимали серию характеристик производительности при изменении частоты вращения и сечения высевного отверстия.
Опыты начинали при частоте вращения высевающего барабана 0,1 с 1 и минимальном сечении высевного отверстия, обеспечивающего устойчивый высев удобрений. Далее, при неизменном положении регулирующей заслонки, увеличивали частоту вращения высевающего барабана до максимального ее значения - 1,0 с . После этого изменяли сечение высевного отверстия и опыты повторяли в той же последовательности .
Частоту вращения высевающего барабана измеряли импульсным методом при помощи десятиламельчатого барабана и счетчиков МЭС-54. Удобрения взвешивали на весах ГО-ІСЦІЗУ. Включение секундомера, импульсных счетчиков и установку лотка для сбора удобрений осуществляли автоматически. Опыты проводили с такими удобрениями: аммиачная селитра, суперфосфат гранулированный, калий хлористый, а также смесь их в соотношении 1,0:1,5:0,5. При минимальной навеске удобрений 800 г и цене деления весов 5 г погрешность взвешивания составила 0.62%. Ошибка измерения времени при продолжительности опыта 30 с составляла 0.3$, Предельная ошибка определения производительности туковысевающего аппарата не превышала 1,0%. Принимая, что предельная ошибка определения производительности приближенно равна наибольшей возможной статистической, то и задаваясь надежность Н = 0.95, определено необходимое количество повторных измерений, которое в нашем случае составляет три. Достоверность разности средних результатов измерений проверяли по критерию Стьюдента [34]. Зависимости производительности от уровня удобрений в бункере, положения лопастей относительно высевного отверстия, а также все последующие характеристики определяли на гранулированном суперфосфате со стандартной массовой долей воды и установленном диаметре высевающего барабана 0.095 м. Опыты по исследованию влияния уровня удобрений в бункере на производительность туковысевающего аппарата начинали при минимальном уровне над осью высевающего барабана, обеспечивающего устойчивый высев удобрений. Каждый последующий опыт проводили после увеличения уровня удобрений на 0.05 м. При этом изменяли частоту вращения от 0,2 до 0,6 с и сечение выеевного отверстия от 4 до 8 см2. Влияние положения лопастей относительно высевного отверстия на производительность туковысевающего аппарата изучали при изменении частоты вращения барабана 0.2...0.6 с и сечения высевного отверстия 4...8 сьг. Первый опыт проводили при соосном размещении лопастей и высевного отверстия, а каждый последующий при смещении лопастей относительно высевного отверстия на 0.01 м. Измельчение гранул суперфосфата лопастями высевающего барабана определяли ситовым анализом - путем сравнения гранулометрического состава удобрений, взятых из бункера и выееяных туковы-севающим аппаратом. Исходный гранулометрический состав удобрений был следующий: фракция менее I мм - 0.42%; фракция I...2 мм -0.47%; фракция 2...4 мм - 95,55$; фракция больше 4 мм - 3.56%. Опыты проводили при изменении сечения высевного отверстия и частоты вращения высевающего барабана. Высеянные аппаратом удобрения взвешивали на весах ВЛКТ-500Г-М и просеивали в течение двух минут на ситах с отверстиями диаметром 4,2 и I мм [62]. Пригточ-ности взвешивания 0,01 г и минимальной навеске 20 г предельная ошибка опытов составляла 0,5%. Для определения равномерности высева между высевными отверстиями туковысевающий аппарат был оборудован специальными поворотными тукосборниками с мешочками. Одновременно с включением или отключением измерительных приборов тукосборники поворачивали так, что удобрения из высевных отверстий направлялись в подвешенные мешочки или в общий приемный лоток. Опыты проводили при частоте вращения высевающего барабана 0,2...0,6 с и сечении высевных отверстий 4...8 сиг. Повторность опытов - трехкратная.Удобрения взвешивали на весах ВЛКТ-500Г-М. При минимальной навеске 0,01 кг предельная ошибка опытов составляла 0.1$. Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики [34,42] . Равномерность высева оценивали значением коэффициента вариации.
Равномерность высева удобрений по ходу движения исследовали при помощи "бегущего поля", представляющего собой горизонтальный ленточный транспортер с установленными на нем скребками/рис. 3.3/. Расстояние между скребками и скорость движения ленты транспортера обоснованны из следующих соображений.
Согласно агротехническим требованиям на локальное внесение минеральных удобрений под сельскохозяйственные культуры сплошного посева, оптимальное расстояние между лентами удобрений составляет 0,15 м [75,7б]. При междурядий зерновых культур 0,15 м [ю] растения будут находиться в одинаковых условиях питания когда 0,15 -и метровый рядок растений будет питаться лентой удобрений такой же длины /рис.3.А/,
Методика инженерного расчета шнеково-лопастного туковысевающего аппарата
Туковая сеялка для лабораторно-полевых исследований изготовлена на базе селекционной зерновой сеялки СН-І6 /рис.4.1/.Согласно программе исследований, она обеспечивала варьирование таких параметров: частоты вращения высевающего барабана посредством изменения передаточного отношения привода от колеса сеялки к высевающему барабану / / = 0,073...1,042/, поступательной скорости движения агрегата / Vp = 1,4...3,5 м/с/; сечения высевных отверстий / S = 4...12 см2/. С помощью оборудования и приборов экспериментальной сеялки высеянные удобрения собирали со всех высевных отверстий одновременно и с каждого в отдельности, фиксировали время опыта, скорость движения агрегата и частоту вращения высевающего барабана.
Скорость движения агрегата и частоту вращения высевающего барабана измеряли при помощи импульсных датчиков /рис,4.2/ и счетчиков МЭС-54 ;время опыта фиксировали механическим секундомером. При определении равномерности удобрения взвешивали на весах ВЛКГ-500Г-М, а при исследовании всех остальных параметров - на весах FH-ІОЦІЗУ. рости движения сеялки исследовали при скоростях 1,4; 1,7; 2,1; 2,7 и 3,5 м/с и сечениях высевного отверстия 4,6 и 8 см . Опыты проводили на одном поле при постоянной длине участка равной 16 м в трехкратной повторности.
При минимальной навеске удобрений 0,19 кг погрешность взвешивания составляла 0,05$, а предельная ошибка опыта. Равномерность высева между высевными отверстиями определяли на горизонтальном и поперечно-наклонном участках пути. Участок с крутизной склона 7 выбран из тех соображений, что более 90$ пахотных земель УССР размещены на склонах до 7 [зо]. Скорость движения 1,6 м/с и длина зачетного участка пути 16 м оставались неизменными.Минимальная навеска удобрений составляла 0,2 кг, а время опыта - Юс; предельная ошибка опытов не превышала 1,05$. Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики. Равномерность высева оценивали значением коэффициента вариации.
Равномерность высева компонентов тукосмеси гранулированного суперфосфата, аммиачной селитры и порошковидного хлористого калия определяли при скорости движения агрегата 2,1 м/с. Исходное содержание питательных веществ в тукосмеси было следующее: Д/ - 13,5$; 2 " 7 5$» %0 - 13,8$. Пробы высеянных удобрений брали на одном и том же участке пути. Первый опыт проводили при наполненном бункере, а последующие - при постепенном опорожнении его на 25, 50, 75 и 90$. Содержание азота, фосфора и калия определяли химическими методами [б2].
Постоянство высева удобрений на протяжении четырех часов непрерывной работы сеялки проверяли на гранулированном суперфосфате массовой долей воды 6,4$. Отбор проб проводили через каждые полчаса работы на одном и том же участке пути при постоянной скорости движения агрегата, равной 1,7 м/с. Каждый опыт повторяли в трехкратной повторности.