Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования . 9
1.1 Агротехнические и технологические основы послойной обработ-тки почвы с одновременным разрушением плужной подошвы... 9
1.2 Обзор машин для борьбы с ветровой и водной эрозией почвы 15
1.3 Анализ результатов исследований в области комбинированных почвообрабатывающих машин 29
1.4 Направления совершенствования противоэрозионных комбинированных почвообрабатывающих машин для основной обработки почвы 31
1.5 Цель и задачи исследования 38
2 Теоретические исследования 41
2.1 Уравнения движения ротационного органа комбинированного почвообрабатывающего орудия 41
2.2 Исследование процесса взаимодействия дискового рабочего органа с почвой . 44
2.3 Определение реактивного момента, действующего на режущий диск , 53
2.4 Обоснование взаимного размещения рабочих органов на раме... 57
2.5 Определение диаметра и радиуса кривизны дисковых рабочих органов... 62
2.6 Влияние конструктивных факторов на устойчивость вращения дисков за счет воздействия почвы 64
3 Программа и методика экспериментальных исследований 74
3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 74
3.2 Устройство экспериментальной установки. 15
3.3 Методика определения основных физико-механических свойств почвы 77
3.4 Методика энергетических исследований экспериментального агрегата 79
3.5 Методика исследований устойчивости вращения дисковых рабочих органов 80
3.6 Методика исследования агротехнических показателей работы экспериментального агрегата 82
3.7 Определение необходимого числа экспериментов 84
3.8 Математическое планирование агротехнических исследований... 85
3.9 Методика обработки результатов экспериментальных исследований 87
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 89
4.1 Технологический процесс послойной обработки почвы с одновременным разрушением плужной подошвы 89
4.2 Исследование тягового сопротивления комбинированного агрегата при послойной обработке почвы 91
4.3 Обоснование и экспериментальная проверка взаимного размещения рабочих органов на раме комбинированного противоэрозионного орудия 99
4.4 Исследование влияния перекрытия дисков на устойчивость их вращения 101
4.5 Обоснование величины перекрытия дисков и заднего угла резания дисковых органов.., 103
4.6 Исследование степени сохранения стерни на поверхности почвы. 105
4.7 Исследование крошения и распыления почвы 107
4.8 Результаты исследований поперечного сечения пласта и водопроницаемой способности почвы 111
5 Экономическая эффективность использования противоэрозионного комбинированного агрегата 114
5Л.Результаты производственных испытаний и внедрения противоэрозионного комбинированного орудия 114
5.2.Технико-экономические показатели использования противоэро зионного комбинированного агрегата. 117
Общие выводы. 123
Список использованной литературы. 125
- Анализ результатов исследований в области комбинированных почвообрабатывающих машин
- Влияние конструктивных факторов на устойчивость вращения дисков за счет воздействия почвы
- Методика исследования агротехнических показателей работы экспериментального агрегата
- Исследование степени сохранения стерни на поверхности почвы.
Введение к работе
Актуальность темы. В нашей стране, по данным земельного баланса, ветровая эрозия может проявляться на площади 92 млн. га, водной эрозии подвержено 125 млн. га пашни, а около половины эро-зионноопасных земель находятся в районах совместного проявления водной и ветровой эрозии.
Применяемые в настоящее время орудия для безотвальной глубокой обработки почвы оснащены в основном пассивными рабочими органами, которые не во всех случаях обеспечивают полное и качественное выполнение агротехнических приемов. Кроме того, они имеют высокую энергоемкость и низкую производительность.
Поэтому, разработка комбинированных орудий для послойной обработки почвы с одновременным разрушением плужной подошвы поперек склона в виде узких полос, которые позволяют достичь качественной обработки и повысить противоэрозионную устойчивость почв при минимальных энергозатратах, имеет важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнена в соответствии с координационной программой по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации» на 2001-2005 гг., по которым Казанская ГСХА была утверждена соисполнителем.
Объект и предмет исследования. Технологический процесс послойной обработки почвы; противоэрозионный комбинированный агрегат для послойной обработки почвы с одновременным разрушением плужной подошвы в виде узких полос.
Цель работы. Разработка и исследование противоэрозионного комбинированного орудия для послойной обработки почвы и обоснование его основных параметров и режимов работы.
Методы исследования. В работе использован математический аппарат с применением аналитической геометрии, теоретической механики, теории вероятностей и математического моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам с использованием теории планирования экспериментов.
Научная новизна. Разработан и обоснован энергосберегающий технологический процесс послойной обработки почвы, совмещающий
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА |
поверхностную безотвальную обработку поперек склона путем скользящего резания дисковыми органами и разрушение плужной подошвы в виде чередующихся узких полос.
Предложена конструктивно-технологическая схема противоэро-зионного орудия включающего режущие диски, расположенные в верхнем ярусе в виде стрелы и с перекрытием в поперечном направлении и установленные за ними рыхлительные лапы нижнего яруса.
Получены аналитические зависимости, характеризующие процесс взаимодействия рабочих органов с почвой, позволяющие определить их оптимальные конструктивные параметры и размещение на раме орудия. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2215388 «Комбинированное почвообрабатывающее орудие».
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Разработана конструкция противоэрозионного комбинированного орудия для послойной обработки почвы с сохранением стерни и одновременного разрушением плужной подошвы, которая позволяет повысить стойкость поверхностного слоя против ветровой эрозии, а также увеличивает водопоглощающую способность почвы на склонах, предотвращая водную эрозию. Обоснованы и определены основные параметры и режимы его работы. Экспериментальный образец разработанного комбинированного орудия был внедрен в подсобном хозяйстве «Куюк» ОАО «Сабинский агропромснаб» Республики Татарстан.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Казанской ГСХА (2002-2004 гг.), на III международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2003 г), на международной конференции по теории механизмов и машин «100 лет механизму Бе-нетта» (г. Казань, 2004 г). В 2003 году результаты работы экспонировались: на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» в г. Москве, где награжден дипломом за разработку комбинированного агрегата ПКПО-2,5; в 7-ой специализированной выставке «Агрокомплекс: Интерагро. Анимед. Фермер Поволжья» и в 5-ой специализированной выставке «Энергетика, ресурсосбережение» в г. Казани.
Защищаемые положения:
1. Технологический процесс послойной обработки почвы, совмещающая поверхностную безотвальную обработку путем скользя-
щего резания дисковыми органами и одновременное разрушение плужной подошвы в виде узких полос в едином технологическом процессе.
-
Конструктивно-технологическая схема противоэрозионного комбинированного агрегата для послойной обработки почвы и одновременного разрушения плужной подошвы в виде узких полос.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию кинематических и конструктивных параметров противоэрозионного комбинированного агрегата для послойной обработки почвы с одновременным разрушением плужной подошвы.
-
Агротехнические и технико-экономические показатели работы противоэрозионного комбинированного агрегата для послойной обработки почвы с одновременным разрушением плужной подошвы в виде узких полос.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 публикациях, в том числе 1 патенте РФ на изобретение и 6 научных статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 170 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 33 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 124 наименований, из них 2 на иностранных языках.
Анализ результатов исследований в области комбинированных почвообрабатывающих машин
Анализ результатов исследований комбинированных почвообрабатывающих машин показывает, что совмещение операций обеспечивает не только повышение производительности труда в 2-3 раза и сокращение числа проходов по полю, но и снижает общую металлоемкость машин, способствует экономии горюче-смазочных материалов и дает прибавку урожая не менее 5% [71, 90].
Создание новой почвообрабатывающей техники всегда связано с изучением процесса взаимодействия их рабочих органов с почвой. В нашей стране изучению механизма воздействия почвообрабатывающих рабочих органов на почву посвятили свои исследования В.П. Горячкин, В.А. Желигов-ский, Г.Н. Синеоков, А.С. Кушнарев, И.М. Панов, В.И. Виноградов, В .А. Са-кун, Я.П. Лобачевский, Ю.Ф. Носиков, А.Д. Далин, М.Е. Мацепуро и многие другие ученые.
Г. Бернацкий провел теоретический анализ удельной работы комбинированный машин, состоящий из активных и пассивных рабочих органов. По принципу действия такие машины он разделял на два вида. Первый вид характеризуется независимым действие активных и пассивных рабочих органов, т.е. каждый из них работает в неразрыхленной другим рабочим органом слое почвы. К другому виду комбинированных машин он относит те, у которых активные и пассивные рабочие органы работают взаимосвязанно, в одном слое почвы, на одной и той же или на разных глубинах. Так, в результате испытаний плуга фрезерными почвоуглубителями, было установлено, что общая удельная работа Ак меньше удельной работы отдельно взятой фрезы Аф и тем меньше, чем больше отношение рабочей глубины а„ пассивного рабочего органа к глубине аа активного рабочего органа. Удельная работа фрезы в зависимости от окружной скорости возрастает более интенсивно, чем общая удельная работа плуга с фрезерными почвоуглубителями [112].
Исследования, проведенные в ВИМе, показали, что улучшение работы противоэрозионных комбинированных орудий возможно за счет ярусного рыхления почвы при глубокой безотвальной ее обработке и путем безотвального рыхления почвы в сочетании с дополнительным полосным почвоуглублением (щелеванием) дна борозды при мелкой плоскорезной обраотке. При таких обработках почвы значительно улучшаются качество работы, а так же заглубляемость орудий и устойчивость хода. Их применение способствует и значительному снижению энергоемкости технологического процесса рыхления почвы [45].
Проведенные А.К. Кострицыном расчеты убедительно свидетельствуют о том, что при определенном отношении ширины рабочего органа к глубине рыхления почвы тяговое сопротивление рабочего органа безотвального орудия, при рыхлении почвы в два яруса, может не только не превышать сопротивление рабочего органа, осуществляющего рыхление почвы в один ярус, но и быть значительно меньшим. Снижение тягового сопротивления при рыхлении почвы в два яруса наиболее эффективно для рабочих органов, имеющих небольшую ширину захвата и осуществляющих глубокое рыхление почвы.
Н.Б. Каспаров сделал анализ совместной работы дискового и плоскорежущего рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего агрегата АКП-5 [37]. Этот агрегат включает в себя секции рабочих органов, состоящие из последовательно установленных батарей дисков диаметром 450 мм и плоскорежущей лапы шириной захвата 710 мм. В результате исследований были выявлены закономерности влияния скорости движения и глубины хода рабочих органов, а так же расстояния между дисковой батареей и плоскорежущей лапой на их энергетические показатели. Г.Д. Тимошенко провел теоретические и экспериментальные исследования для обоснования расстановки почвообрабатывающих рабочих органов в комбинированном агрегате [111, 112]. Так как, исследование процесса обработки почвы рыхлительной лапой с помощью дифференциальных уравнений представляется весьма сложным, для теоретических исследований использовался метод физического моделирования с применением теории размерностей. Экспериментальные исследования проведены с применением скоростной киносъемки при работе лапы в почвенном канале. В результате было определено оптимальное расстояние между активными и пассивными рабочими органами при различных режимах обработки. Кроме этого сопоставление теоретических и экспериментальных. зависимостей показывает их достаточную близость, следовательно, теория; размерностей применима к обоснованию расстановки рабочих органов в комбинированной машине.
Среди большого числа работ, посвященных исследованиям комбинированных агрегатов, специальные методы обоснования технологических схем приведены в работах Р.И. Байметова, А.В. Полушкина [90], Г.А Николаева [73], А.П. Грибановского [23], С.А. Иванайского [32], П.Ю- Семенова [6], Г.С. Юнусова [122], В.А. Мамчура [60], С.Г. Соловьева [104] и др.
Изучением энергоемкости комбинированных агрегатов и поиском путей снижения их удельных сопротивлений занимались А.К. Кострицын [45], В.В. Труфанов, А.А...Плишкин [89],Г. Бернацкий [112], А.П. Спирин [109], Б.М. Бойков, А.В. Павлов [6], Н.К. Мазитов [50], М.Ф. Романенко [97] и др.
Влияние конструктивных факторов на устойчивость вращения дисков за счет воздействия почвы
В комбинированном почвообрабатывающем орудии дисковые рабочие органы с целью получения скользящего резания расположены в виде стрелы и с перекрытием, «е» передними последующих в поперечном направлении [55, 87].
Рассмотрим процесс взаимодействия сферического диска с почвой. Радиус сферы, по который изготовлена поверхность диска - R, а радиус режущей кромки-г. На основании следствий из принципа Даламбера [72] главный вектор и главный момент всех активных сил, реакций связей и сил инерции равны нулю в каждый момент времени движения механической системы. В процессе взаимодействия на диск, вращающийся на оси, действуют силы тяжести (которыми в дальнейшим пренебрегаем в силу их малости, а также ввиду симметричности тела вращения); силы воздействия почвы: N и Ртр, которые являются соответственно равнодействующей распределенных нормальных усилий и сил трения. Сила N приложена в близи края режущей; кромки диска в центре тяжести площадки контакта с не разрыхленной почвой и направлена по нормали к сферической поверхности. На рисунке 2.10 сила N противоположна оси zs. Сила трения Fmp - приложена в той же точке, что и N, но направлена в плоскости (z5 у$) по направлению относительной скорости срезаемой почвы Vr при ее движении по диску. Также действуют реакции подшипников в точках закрепления О и В которые по осям (х4 у4 z4) имеют составляющие Ха, Yu, 20 (подшипник с упором в точке О) и Хв Ув (подшипник в точке В) и момент трения в подшипниках Мс, который зависит от коэффициентов трения/;, УЗ, диаметра вала d и величин реакций в точках О к В.
Силы инерции и их моменты при вращении диска вокруг оси z4 определяются величиной угловой скорости со и углового ускорения , а также массой системы М и тремя компонентами тензора инерции в точке О: /s
Уха Jyz предположим, что угловая скорость мала, тогда в уравнениях (2.50) OJ 0, Момент сопротивления в подшипниках определяется силами давления на них:.
Оси координат (х; у і zj) движутся поступательно прямолинейно со скоростью агрегата Уе, которая для диска является переносной скоростью движения, направленной противоположно оси yj, ось zj - вертикальна, а ось дгу горизонтальна и направлена влево от направления движения. Оси (х2 у2 2г) получаются из осей (х/ у і z}) при повороте на угол ц/ (угол прецессии) вокруг оси Z/ = z2. Угол у/ при фронтальном движении диска равен нулю ц/ = 0, что соответствует максимальной ширине захвата диска.
Для исследования возможности вращения диска за счет трения о почву будем предполагать возможность варьирования этого угла у/ от нулевого уровня, хотя это и уменьшает ширину захвата.
Система осей координат (х3 у3 z3) получается поворотом осей (х2 у2 z2) вокруг оси х2 = х3 на угол нутации Єо, величина которого обеспечивает заглубление диска в почву, так для исследуемой конструкции So = 2,..6. Ось z3 является осью собственного вращения диска ОВ.
Оси (х4 у4 z4) получается поворотом осей (х3 у3 z3) вокруг оси х3 = х4 на угол в, который называется в механике углом собственного вращения, но в нашем случае является постоянным и отражает смещение точки приложения равнодействующих давления почвы на диск от плоскости (z3 у3). Точка М приложения сил N и Fmp лежит в плоскости {Ъ4У4}- При ц/ = 0 угол Сможет быть отличен от нуля из-за наложения следа предыдущего диска на последующий, его величина зависит от расположения центра тяжести площадки контакта диска с неразрыхленной почвой.
Для нахождения направляющих косинусов силы трения Fmp удобно вести оси (х5 уз zs), которые получается из осей (х4 у4 z4) поворотом вокруг оси х4 = х? на угол v, который определяется конструкцией диска tgv = r/R: Ось xs противоположна силе нормального давления N, а сила трения Fmp лежит в плоскости параллельной (х5 у5)7 которая яляется касательной к сферической поверхности диска в точке М.
Методика исследования агротехнических показателей работы экспериментального агрегата
Агротехнические исследования экспериментального агрегата проводились на дерново-подзолистой почве среднесуглинистого механического состава на полях подсобного хозяйства «Куюк» Сабинского района РТ.
Изучали агротехнические показатели работы экспериментального орудия при комплектовании его различными вариантами рабочих органов и скоростях движения 1,4-2,8 м/с, в агрегате с трактором ДТ-75М. Опыты проводились согласно требованиям ОСТ 70.2.15-73 и ОСТ 70.4.1-74 [75, 78].
Скорость поступательного движения агрегата Ve определяли на учетном проходе длиной 50 м по формуле (3.6). Качество крошения почвы определяли методом взятия проб в шести точках (три по ходу и три обратно). Выемку проб производили на площадках 0,25 м на глубину обработки. Полученные пробы просеивали через набор сит с диаметрами отверстий 50 и 10 мм. Ситы располагали в порядке уменьшения отверстий и осторожными колебаниями обеспечивали распределение почвы на соответствующие фракции. Каждую фракцию взвешивали с точностью до 10 г.
За показатель крошения почвы экспериментальным орудием принимали отношение массы фракции менее 50 мм к общей массе почвенной пробы, выраженное в процентах.
Содержание эрозионно-опасных частиц, размером менее 1мм в слое почвы до 50 мм, определяли по аналогичной методике. При этом использовали ситу с диаметром отверстий 1 мм.
Сохранение стерни на поверхности поля определяли учетным методом. Для этого, до обработки почвы экспериментальным агрегатом, в шести местах учетного прохода накладывали рамки размером 0,5x0,5 м и определяли количество стерни в пределах рамки. После прохода экспериментального агрегата рамки помещали рядом с рамками, накладываемыми до прохода, и определяли количество оставшейся на поверхности стерни.
Степень сохранения стерни Кст в процентах определяли по формуле:
где Ni - количество стерни с площади 0,25 м2 до прохода орудия, шт;
N2 - количество стерни с площади 0,25 м после прохода орудия, шт.
Характеристику противоэрозионных неровностей (ширину щели внутри и по верху, расстояние между щелями) определяли с помощью линейки в трехкратном повторении с точностью до 0,5 см.
Исследование степени сохранения стерни на поверхности почвы.
Экспериментальные исследования по определению степени сохранения стерни на поверхности поля проводили на дерново-подзолистой средне-суглинистой почве при ее влажности 14,3 - 23,3 % и твердости 0,8 - 2,6 МПа в слое 0 - 30 см. Агрофон - стерня озимой ржи высотой 12-21 см. Глубина обработки рыхлительными лапами - 28 см, дисковыми рабочими органами -8 и 16 см. Причем рыхлительные лапы установлены в поперечном направлении на расстоянии 30 см друг от друга.
Матрица планирования исследования влияния скорости поступательного движения агрегата Уе и глубины хода рабочих органов верхнего яруса д/ на степень сохранения стерни приведена в приложении К.
Полученные результаты опытов (рисунок 4.7), свидетельствуют о том, что по степени сохранения стерни на поверхности поля работа экспериментального комбинированного агрегата соответствует агротехническим требованиям, предъявляемым к противоэрозионным агрегатам [18, 24, 54, 62, 74].
Как следует из приведенного графика, по мере увеличения скорости движения агрегата степень сохранения стерни на поверхности поля несколько уменьшается. Кроме этого, более высокая степень сохранения стерни обеспечивается при установке глубины хода сферических дисков на 11-13 см. А в других случаях количество стерни остающегося на поверхности поля после прохода агрегата уменьшается. Например, при уменьшении глубины хода сферических дисков с 12 до 8 см или увеличении до 16 см количество сохраненной стерни на поверхности снизилось от 4% при скорости поступательного движения агрегата 1,5 м/с до 11% при Ve = 2,7 м/с.
Уменьшение степени сохранения стерни при малых значениях д/ объясняется частичной заделкой их в почву из-за сгруживания почвы перед дисками. Поэтому глубина хода рабочих органов верхнего яруса должно быть не менее 10 см.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что при глубине хода сферических дисков менее 10 и свыше 14 см и скоростях движения агрегата, больших 2,3 м/с, работа комбинированного агрегата по степени сохранения стерни не соответствует агротехническим требованиям. Таким образом, по производительности и степени сохранения стерни лучшие показатели достигаются при движении агрегата на скоростях 1,8-2,2 м/с и глубине хода сферических дисков - 10-14 см.
Для проверки теоретических предпосылок, а также с целью определения степени выполнения агротехнических требований, предъявляемых к данному технологическому процессу, проводились сравнительные испытания по определению степени крошения и распыления почвы экспериментальным орудием в варианте с ротационной бороной и серийным комбинированным агрегатом КАО-2М.
Опыты проводились на дерново-подзолистой почве среднесуглинисто-го механического состава. Средняя влажность почвы в слоях 0 - 10, 10 - 20, 20 - 30 см составляло соответственно 14,3, 21,5 и 23,3%, а твердость в горизонтах находилась в пределах от 0,8 до 2,6 МПа.
Изучались следующие варианты обработки почвы экспериментальным орудием при различных скоростях поступательного движения агрегата: и глубине хода рабочих органов верхнего яруса:
1. Послойная обработка рыхлительными лапами и сферическими дисками;
2. Послойная обработка рыхлительными лапами и плоскими дисками.
За степень крошения почвы принималось отношение массы фракции менее 50 мм к общей массе почвенной пробы, выраженное в процентах [78].
Матрица планирования исследования влияния скорости поступательного движения агрегата Ve и глубины хода рабочих органов верхнего яруса а, на степень крошения почвы приведена в приложении Л. Результаты исследований в виде графиков представлены на рисунке 4.8.
Как видно из графиков, степень крошения почвы при всех способах обработки с увеличением скорости поступательного движения агрегата растет по выпуклой кривой. При этом наиболее высокую степень крошения почвы обеспечивает послойная обработка рыхлительными лапами и сферическими дисками. Так как в этом случае, верхний, менее уплотненный слой подвергается сплошному рыхлению сферическими дисками, которые разрушают его на структурные элементы отдельно от нижнего слоя за счет деформации во взаимно перпендикулярных плоскостях. А при использовании в качестве рабочих органов верхнего яруса плоских дисков разрушение пласта происходит за счет деформации его только в одной плоскости, аналогично плоскорежущим пассивным рабочим органам. Поэтому в случае послойной, обработки почвы рыхлительными лапами и плоскими дисками качество крошения почвы несколько ниже чем при способе с использованием сферических дисков. Так, например, при скоростях движения агрегата 1,5 - 2,5 м/с степень крошения почвы сферическими дисками составила 76,8 —96,1. %, а после плоских дисков 70,1 - 88,6 %,
