Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Современное состояние технологий улучшения естественных кормовых угодий 8
1.2. Технические средства для технологий улучшения естественных кормовых угодий 10
1.3. Анализ рабочих органов технических средств для технологий улучшения естественных кормовых угодий 24
1.4. Агротехнические требования к полосному посеву семян трав в дернину 31
1.5. Краткий обзор научных работ по исследованию процесса фрезерования почвы 33
1.6. Цель и задачи исследования 36
2. Теоретические исследования 38
2.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы сеялки для полосного посева семян трав в дернину 38
2.2. Моделирование движения частиц почвы по поверхности ножа фрезерного рабочего органа 51
3. Программа, методжа исследований и оборудование 60
3.1. Задачи и программа экспериментальных исследований 60
3.2. Лабораторно-полевая установка 62
3.3. Методика определения степени крошения почвы 67
3.4. Методика определения ширины профрезерованной полосы 68
3.5. Методика определения энергоемкости фрезерования полосы почвы в массиве дернины 70
4 Результаты экспериментальных исследований 73
4.1. Оценка конструктивно-технологической схемы сеялки для полосного посева семян трав в дернину 73
4.2. Результаты исследования влияния кинематического режима работы фрезы на степень крошения почвы и энергоемкость фрезерования 77
4.3. Влияние предварительного надрезания краев полосы на энергоемкость фрезерования 80
4.4. Влияние предварительного надрезания краев полосы на ее ширину 83
4.5. Влияние предварительного надрезания краев полосы на степень крошения почвы 88
5. Эффективность технологии улучшения естественных кормовых угодий с использованием сеялки для полосного посева семян трав в дернину 95
5.1. Производство и поставка сеялок для посева семян трав в дернину СДК-2,8 сельским товаропроизводителям 95
5.2. Повышение урожайности травостоев при использовании сеялки для полосного посева семян трав в дернину 98
5.3. Повышение качества кормов при полосном посеве бобовых трав 100
5.4. Энергетическая и экономическая эффективность технологии возделывания трав с использованием сеялки полосного посева. 102
Общие выводы 109
Литература 112
Приложения 123
- Анализ рабочих органов технических средств для технологий улучшения естественных кормовых угодий
- Обоснование конструктивно-технологической схемы сеялки для полосного посева семян трав в дернину
- Методика определения энергоемкости фрезерования полосы почвы в массиве дернины
- Результаты исследования влияния кинематического режима работы фрезы на степень крошения почвы и энергоемкость фрезерования
Анализ рабочих органов технических средств для технологий улучшения естественных кормовых угодий
Комбинированный агрегат [12] содержит последовательно расположенные на раме дисковые рабочие органы, рыхлители черенкового типа, секции фрезерных барабанов с кожухами и семявысевающими устройствами и прикатывающие катки. При движении комбинированного агрегата дисковые ножи нарезают край полосы в зоне точек крыльев Г-образных ножей фрезерной секции, а рыхлители разуплотняют почву в зоне стоек (дисков) фрезерного барабана. За счет предварительного нарезания снижаются энергозатраты на отрыв стружки от дернинного монолита, и повышается качество обработки. Ножи фрезерной секции измельчают надрезанную полосу дернины. Далее семявысе-вающие устройства высевают семена, и почва прикатывается катком. Удобрения вносятся по тукопроводам в зону по следу рыхлителя черенкового типа.
В НИИСХ Северо-Востока разработан [11] способ возделывания трав, который заключается в следующем: для улучшения ботанического состава травостоев сенокосов и пастбищ в осенний период проводится щелевание на глубину 30.. .40 см. Щели нарезаются на равных расстояниях друг от друга. Весной осуществляется прямой ленточный высев семян трав в дернину фрезерной сеялкой, оборудованной направляющими ножами - стабилизаторами, которые движутся по нарезанным щелям. В период ухода за посеянными травами производится подкормка растений в лентах с использованием щелей в качестве направляющих элементов для движения машин. Уход за посевами дополнительно включает периодическое (по мере необходимости) скашивание естественной растительности в лентах на высоте среза не ниже высоты посеянных трав. Сплошное скашивание осуществляется в сроки, обычные для заготовки сена в конкретном регионе.
Большинство комбинированных агрегатов ускоренного залужения за один технологический проход осуществляет измельчение дернины, рыхление почвы, посев трав и прикатывание. Некоторые из них, дополнительно к вышеперечисленным операциям, выполняют внесение основной и стартовой доз минеральных удобрений.
Все комбинированные агрегаты производят измельчение дернины фрезерными роторами. Фрезерование позволяет хорошо измельчить дернинный слой и равномерно смешать с минеральной частью почвы, что ускоряет процесс минерализации растительных остатков. Вращение фрез по ходу движения афе-гата обуславливает низкое тяговое сопротивление, что позволяет дополнительно располагать рыхлительные плоскорезные или культиваторные лапы для более полной загрузки движителей трактора [29,35,114].
Посевные части комбинированных агрегатов состоят из сеялок или собраны из унифицированных частей сеялок, что позволяет, в первом случае, использовать сеялку как независимую часть в традиционных технологиях (отдельно), во втором - значительно снизить затраты на производство комбинированных машин [67].
Использование комбинированных агрегатов ускоренного залужения исключает многократные проходы, при этом в технологическом процессе ликвидируются разрывы во времени между отдельными видами работ, что обеспечивает их выполнение в оптимальные агротехнические сроки. Кроме того, повышается производительность труда, снижаются энергоемкость, трудоемкость и стоимость работ.
К наиболее значительным недостаткам этих машин следует отнести высокую энергоемкость обработки почвы фрезерными рабочими органами, высокую стоимость комбинированной машины вследствие сложности конструкции, металлоемкости, относительно низкую производительность. Сплошная обработка дернины ограничивает применение ускоренного залужения на склоновых и пойменных естественных кормовых угодьях из-за опасности водной эрозии почвы. Низкая маневренность прицепных комбинированных агрегатов характерна на проведении культуртехнических работ по удалению кустарниковой растительности, планировки кормовых угодий, при мелкоконтурности участков в Северо-Восточном регионе. Значительная масса агрегатов снижает возможность использования их в условиях повышенной влажности лесной зоны [57 .
Применение ускоренного залужения комбинированными агрегатами и машинами наиболее эффективно и оправдано на полностью деградированных травостоях, где неэффективны технологии прямого полосного посева семян трав в дернину. Технические характеристики агрегатов и машин приведены в таблице 1.1.
Посевная часть сеялок прямого полосного посева несущественно отличается от высевающих аппаратов других сеялок. В связи с этим приемлемость их работы для условий естественных кормовых угодий Северо-Восточного региона РФ проанализирована по качеству работы их почвообрабатывающией части, так как именно она создает условия для прорастания и развития высеваемых в дернину семян [47,52].
Сеялки прямого посева осуществляют высев семян трав в дернину, обработанную гербицидами, часть сеялок выполняют одновременно химическую обработку дернины и посев семян. Химическое подавление аборигенной растительности естественных кормовых угодий позволяет производить посев в необработанную дернину. Задача почвообрабатывающих рабочих органов заключается в нарезании бороздки в дернине, последующем высеве семян и послепосевном прикатывании. Разнообразие условий, в которых работают сошники сеялок прямого посева, обусловило многообразие конструкций сошников пассивного типа: однодисковые, двухдисковые с разрезающим ножом, анкерные и т.д. (рис. 1.12).
Обоснование конструктивно-технологической схемы сеялки для полосного посева семян трав в дернину
Анализ технологий восстановления и повышения продуктивности естественных кормовых угодий, а также технических средств для их осуществления, показал их многообразие в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий.
В настоящее время, при сложившемся дефиците у сельхозпроизводителей минеральных удобрений, посевного материала, крайней ограниченности их в энергоресурсах и в сельскохозяйственной технике, восстановление и повышение продуктивности лугов и пастбищ на производственных площадях объемом в 70... 100 га в год, наиболее реально осуществлять, используя технологию прямого полосного посева семян трав в дернину. Ее преимуществами является сокращение числа технологических операций, экономия посевного материала, снижение затрат энергии на обработку почвы и затрат рабочего времени, при этом сохраняются природные особенности травостоев и обеспечивается защита почв от эрозии. Широкое использование этой технологии сдерживается отсутствием производства в нашей стране эффективных и надежных технических средств для ее осуществления, адаптированных к местным условиям.
При определении конструкции рабочего органа сеялки необходимо учитывать также то, что агротехнические требования, в частности ширина обрабатываемой полосы, к посеву семян трав в дернину напрямую зависит от плодородия почвы обрабатываемых лугов и пастбищ. Так, при высеве семян трав в высокоплодородную почву достаточно обработанной полосы дернины шириной 20...50 мм в зависимости от состава и густоты естественного травостоя. Со снижением плодородия обрабатываемого слоя необходимо увеличение ширины обработанных полос, так как биоценозы лугов и пастбищ на низкоплодородных почвах составляют растения с сильно развитой корневой системой подавляющие развитие высеваемых семян. С другой стороны, неоправданное завышение ширины обрабатываемой полосы резко увеличивает затраты энергии при полосном высеве семян трав в дернину. Для создания благоприятных условий прорастания семян клевера, высеваемых в дернину естественного пойменного луга, ширина обработанной полосы должна быть не менее 100 мм [96,107]. Наиболее эффективен высев семян клевера примерно на 30 % поверхности от общей площади луга [27,90].
Анализ конструкций комбинированных машин и сеялок, а также технологических процессов выполняемых ими, позволил сформулировать основные требования к конструктивно-технологической схеме сеялки для посева семян трав в дернину, адаптированной к условиям Северо-Восточного региона Европейской части РФ [51,56]: - технологический процесс посева семян трав в дернину должен содержать следующие операции: подготовку полосы почвы под посев семян в массиве дернины, посев семян трав и послепосевное прикатывание; - рабочий орган сеялки (сошник) должен обеспечивать структуру почвы в обработанной полосе в соответствии с агротехническими требованиями; - рабочие органы сеялки должны обеспечивать посев в дернину согласно схеме посева, удовлетворяющей наиболее благоприятным условиям для развития семян, т.е. шириной обработанной полосы не менее 100 мм при общей площади необработанных междурядий около 70%; - сеялка должна обеспечивать качественное выполнение технологического процесса посева семян трав в дернину при соблюдении следующих требований к конструкции: компактность, низкая металлоемкость при высокой степени надежности, снижение затрат энергии, посевного материала и рабочего времени в сравнении с существующими технологиями восстановления и повышения продуктивности природных кормовых угодий. с учетом вышеизложенных требований, а также выявленных, в процессе проведенного анализа существующих технических средств для восстановления и повышения продуктивности кормовых угодий, преимуществ использования фрезерных рабочих органов в качестве сошников машины для полосного посева семян трав в дернину, была разработана конструктивно-технологическая схема сеялки. С конструктивной точки зрения очень важно выполнить фрезерную секцию сеялки таким образом, чтобы она могла нарезать две полосы дернины, то есть имела бы два фрезерных диска, закрепленных на одном валу, симметрично относительно их приврда. В этом случае будет обеспечиваться устойчивость движения фрезерной секции в плоскости поверхности обрабатываемого участка дернины. Расстояние между фрезерными секциями на раме сеялки должно соответствовать установленному междурядью для пропашных культур 600 или 700 мм при глубине обработки дернины до 80 мм. С учетом вышеизложенного и результатов поисковых исследований [96], выполненных на лугах в пойме реки Вятки, разработана схема полосного посева семян трав в дернину, приведенная на рисунке 2.1. Высев семян трав производится двумя полосами шириной по ПО мм, образующими ленту шириной 330 мм. Расстояние между осями лент 700 (600) мм с расстоянием между лентами 370 (270) мм.
Методика определения энергоемкости фрезерования полосы почвы в массиве дернины
Целью энергетической оценки являлось определение энергетических затрат, необходимых для фрезерования полосы в массиве дернины рабочими органами различных модификаций при различных кинематических показателях процесса.
В основе энергетической оценки был положены ОСТ 70.2.2.-79, РД 10.2.2.-89 [83]. При проведении опытов регистрировался крутящий момент на ВОМ трактора, Мвом, Нм. В качестве оценочного показателя принимались энергозатраты при работе базовой модели сеялки полосного посева и приведенные к затратам единичного рабочего органа согласно формуле: где чфс- мощность, потребляемая дисковой фрезой, кВт; ъюбщ- мощность, потребляемая сеялкой от ВОМ трактора, кВт; Л с ;, - мощность, потребляемая сеялкой от ВОМ трактора на холостом ходу, кВт; z - количество дисковых фрез, шт. При энергетической оценке процесса фрезерования полосы почвы в монолите дернины для регистрации полученных данных использовалась аппаратура ЭМА-П №120 с комплектом тензоузлов и датчиков к трактору МТЗ-82. Снятие значений мощности, потребляемой дисковой фрезой лабораторно-полевой установки от ВОМ трактора, осуществлялось тензозвеном карданного вала между ВОМ трактора и коническим редуктором установки. Лабораторно-полевая установка в ходе проведения энергетической оценки представлена на рис.3.8 и 3.9. Тарировка тензометрического оборудования производилась перед началом и после окончания эксперимента в трехкратной повторности по общепринятым методикам [104,116]. Скорость движения агрегата V„oc,, м/с, принята согласно табличным данным диапазонов скоростей для трактора МТЗ-82 [100]. Частота вращения ВОМ, VgoM , мин , принималась равной номинальной частоте вращения ВОМ трактора. Совместно с энергетической оценкой определялись влажность, задерне-лость, твердость и плотность почвы. Также проводились замеры ширины и глубины обработки в полосе почвы, профрезерованной в дернины. Глубина обработки определялась путем погружения металлической линейки в почву до необработанного слоя. Измерения проводились линейкой с ценой деления 1 , 0 мм с равномерным интервалом по ходу движения агрегата и на середине обработанной полосы. Повторность опыта четырехкратная (2-по ходу движения, 2-против хода движения). Глубина обработки измерялась от дневной поверхности до дна борозды. На каждой повторности проводилось не менее 20 измерений. Погрешность измерения глубины ± 2,0 мм. Результаты измерений обрабатывались методом математической статистики с определением средней глубины обработки hep мм. Энергетическая оценка проводилась на пастбище опытного хозяйства Кировской МИС. Для проведения опытов был выбран участок, удовлетворяющий следующим требованиям: -почва участка однородна и соответствует выбранному почвенному типу с ровным микрорельефом; -участок однороден по предшествующим обработкам и по предшествз -щей культуре. Определение агротехнических показателей проводилось в соответствии с общепринятыми методиками [30,82 . Входящие в данный раздел экспериментальные исследования, проводились на базе Кировской государственной машиноиспытательной станции (п.г.т. Оричи) [92,93,94]. В ходе испытаний опытный образец дернинной сеялки агрегатировался с тракторами МТЗ-82 и Т-150К. Испытания заключались в снятии агротехнических, эксплутационно-технологических и энергетических характеристик работы агрегата в соответствии с методикой проведения испытаний, изложенной ранее. В ходе испытаний сеялка производила посев семян клевера в дернину лугов и пастбищ (рис. 4.1). Выполненный объем работ за три года испытаний составил 124 га. Посев осуществлялся после скашивания и уборки трав при высоте стерни 11,4... 12,5 см, что превышает значение показателя, заложенного при проектировании сеялки (не более 8,0 см). Семена соответствовали требованиям по засоренности и влажности. Работы проводились на типичных для зоны дерново-подзолистых супесчаных и суглинистых почвах со средней влажностью 12,4... 14,4 % и твердостью 2,01...2,05 МПа. Полностью показатели условий, в которых проходили испытания, приведены в приложении 5. Результаты исследований представлены в табл. 4.1, 4.2, 4.3.
Результаты исследования влияния кинематического режима работы фрезы на степень крошения почвы и энергоемкость фрезерования
Согласно результатам испытаний выявлено, что мощность Ыфр, кВт, потребляемая дисковой фрезой с двусторонне установленными Г-образными ножами, в интервале кинематического режима X от 9,5 до 14,5 уменьшается с 3,70 до 2,68 кВт. При дальнейшем увеличении значения показателя кинематического режима снижения потребляемой мощности не происходит. Так уже при Х = 16,95 ее величина возрастает до Л = 2,8 кВт.
Данный факт подтверждает то, что снижение мощности, потребляемой при фрезеровании полосы почвы в монолите дернины, происходит при уменьшении толщины почвенной стружки. В отличие от болотных или полевых фрез, при работе дисковой фрезы с двусторонне установленными Г-образными ножами отрыв почвенной стружки осуществляется по двум необработанным плоскостям, что значительно увеличивает общие энергозатраты.
Таким образом, уменьшение площади поперечного сечения почвенной стружки позволит достичь оптимального значения потребляемой мощности. Скорость резания Урез, м/с, в исследуемых пределах согласно полученным данным, не оказывает влияния на энергоемкость процесса фрезерования.
Увеличение х и соответствующее уменьшение snod щлстР незначительно изменяет показатели степени крошения почвы. Так, при изменении X с 8,0 до 14,5 содержание наиболее приемлемых по агротехническим требованиям фракций почвы с размерами 3...30 мм уменьшилось на 2,5...4,5%, при этом число мелких частиц почвы (фракция до 3 мм) уменьшилось на 2%, а содержание фракции более 30 мм увеличилось на 2,5%. Таким образом, повышение кинематического режима Я вызывает несущественное увеличение частиц почвы размерами более 30 мм при сравнительно стабильном содержании остальных фракций почвы.
На резание почвы собственно крылом Г-образного ножа расходуется не более 20...25% энергии от общих энергозатрат на фрезерование [106,118]. Остальная часть расходуемой энергия используется на деформацию почвы стойкой Г-образного ножа (рассматривается как работа радиального ножа) и на отрыв почвенной стружки по боковой или необработанной поверхности. Таким образом, предварительное надрезание дернины в плоскости крайних точек крыльев Г-образных ножей должно существенно снизить энергозатраты на собственно деформацию почвы дисковой фрезой с двухсторонне установленными Г-образными ножами.
Для проверки гипотезы был поставлен эксперимент по определению энергоемкости процесса фрезерования для различных конструкций рабочего органа фрезы. В качестве контрольного образца принималась дисковая фреза с двухсторонним расположением Г-образных ножей, п1ириной захвата 115 мм. С контрольным образцом сравнивались 2 типа опытных образцов фрезерного рабочего органа, выполненных согласно патенту РФ № 2109424. Также определялись энергозатраты на надрезание стенки полосы активным дисковым кольцеобразным ножом.
Для сопоставления энергоемкости работы фрез различной конструкции, отличающихся одна от другой, кроме конфигурации, шириной захвата рабочего органа рассчитывалась удельная энергоемкость фрезерования: где Мфр - мощность, потребляемая рабочим органом фрезы, кВт; Ьлол - средняя ширина профрезерованной полосы, м. Результаты, полученные в ходе проведения эксперимента, представлены в таблице 4.6. Графики функции Мфр =/ (Л) для двух вариантов конструкции фрезерного сошника, а также график АЫфр = f (Л), показывающий изменение мощности ("+" - увеличение, "-" - уменьшение), потребляемой собственно фрезой с Г-образными ножами, при предварительном надрезании краев полосы в сравнении с контролем, т.е. фреза без предварительного надрезания. Из графиков функции Ыфр = / (X) (рис.4.3) для 2 типов конструкций фрезерного сошника следует, что предварительное надрезание дернины впереди дисковой фрезы с двухсторонним расположением Г-образных ножей в зонах, где у серийных фрезерных сошников отрыв почвенной стружки происходит по боковой (необработанной) поверхности, уменьшает затраты мощности собственно на обработку почвы Г-образными ножами на 0,7.. .0,8 кВт. Значительные затраты мош;ности на рабочий процесс надрезания в дернине ш;ели активным дисковым ножом, выполненного в виде кольца и установленного на диске фрезы совместно с Г-образными ножами, равные Мфр = 6,9...7,7 кВт, вызваны, тем что Г-образный нож, действуя в части крыла как двугранный клин, согласно теории резания для сухой связной почвы работает, скалывая стружку по направлению опережаюш;ей трещины, возникающей впереди лезвия рабочего органа, что распространяется и на скол стружки по боковой поверхности. Для предварительного надрезания зоны отрыва почвенной стружки в этом случае требовалось прорезать дисковым кольцеобразным ножом край полосы заблаговременно до появления трещин в почве от действия крыла Г-образного ножа, что и определило диаметр активного дискового ножа Dкoл.н. 0,42 м. При этом опережение надрезания А/г, м, щели составило при диаметре фрезы /)фр= 0,385 м: В реальных условиях данное предположение не подтвердилось. Предварительное надрезание, за счет разницы в диаметрах фрезы и кольца, не только не оказывает снижения энергоемкости фрезерования, но и значительно увеличивает ее. При этом увеличение мощности напрямую связано с большим, чем необходимо, для одновременного с фрезерованием надрезания края полосы, диаметром активного дискового ножа, что вызывает излишние энергозатраты. Для уменьшения энергоемкости фрезерования необходимо использовать активный дисковый нож с внешним диаметром Аол.н. равным диаметру фрезы Вфр, минимальной шириной и толщиной кольца активного дискового ножа.
Анализируя график Ифр = / (X) для комбинированного рабочего органа, можно утверждать, не учитывая повышенные затраты энергии из-за дополнительного активного дискового ножа, а принимая во внимание лишь форму кривой, что он подтверждает соотношение между увеличением показателя кинематического режима до Я = 14,0... 16,0 и снижением мощности, потребляемой фрезерным сошником, до минимума. Показатель кинематического режима равный Я = 14,0... 16,0 соответствует подаче на нож 8под 28,0...26,0 мм или максимальной толщине стружки 4тр 23,0.. .21,0 мм.
