Содержание к диссертации
Введение
1 . Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Влияние сроков и способов внесения навоза на его эффективность 9
1.2 Анализ основных направлений развития конструкций машин для внесения органических удобрений в твердом виде 13
1.3 Обзор работ по исследованию процесса внесения органических удобрений 20
1.4 Цель и задачи исследования 25
2. Теоретические предпосылки по обоснованию типа, параметров и режимов работы машины для внесения органических удобрений 26
2.1 Обоснование технологической схемы внесения органических удобрений .
2.2 Определение размеров кузова низкорамного навозоразбрасывателя 36
2.3 Определение грузоподъемности низкорамного навозоразбрасывателя по твердости почвы 41
2.4 Геометрический способ выбора агрегата для внесения органических удобрений 47
3. Программа и методика экспериментальных исследований 51
3.1 Программа исследований 51
3.2 Устройство экспериментальных установок
3.2.1 Установка для определения размеров кузова низкорамного навозоразбрасывателя 53
3.2.2 Устройство низкорамного навозоразбрасывателя 54
3.2.3 Приспособление для изменения высоты установки барабанов
3.3 Планирование лабораторных исследований для определения размеров кузова низкорамного навозоразбрасывателя 57
3.4 Подготовка к опытам з
3.5 Поверка приборов и оборудования 73
3.6 Методика определения размеров кузова низкорамного навозоразбрасывателя 76
3.7 Методика исследования процесса внесения органических удобрений 78
3.8 Определение влияния типа разбрасывателя удобрений на урожайность озимой пшеницы 80
3.9 Методика определения грузоподъемности навозоразбрасывателя по твердости почвы
3.10 Проверка низкорамного навозоразбрасывателя в работе 86
3.11 Методика обработки опытных данных 92
4. Резулыаты экспериментальных исследований и анализ опытных данных 95
4.1 Определение размеров кузова навозоразбрасывателя 95
4.2 Определение неравномерности распределения удобрений в кузове навозоразбрасывателя 110
4.3 Влияние параметров и режимов работы распределяющего органа низкорамного навозоразбрасывателя на рассев удобрений 115
4.4 Оценка неравномерности внесения перегноя низкорамным навозоразбрасывателем 121
4.5 Определение грузоподъемности низкорамного навозоразбрасывателя по
твердости почвы 139
5. Производственная проверка низкорамного навозоразбрасывателя и технико-экономическая оценка его работы 145
5.1 Выбор агрегата для внесения органических удобрений геометрическим способом 145
5.2 Технико-экономическая оценка низкорамного навозоразбрасывателя .152
Общие выводы и рекомендации производству 158
Список использованных источников
- Обзор работ по исследованию процесса внесения органических удобрений
- Определение грузоподъемности низкорамного навозоразбрасывателя по твердости почвы
- Устройство низкорамного навозоразбрасывателя
- Влияние параметров и режимов работы распределяющего органа низкорамного навозоразбрасывателя на рассев удобрений
Обзор работ по исследованию процесса внесения органических удобрений
Важнейшим средством повышения плодородия почв, увеличения производства продуктов земледелия и создания прочной кормовой базы животноводства является внесение удобрений [8; 9]. Способы и сроки внесения навоза определяют конструктивные параметры и режимы работы навозоразбрасывателей. Поэтому оценку способов внесения удобрений необходимо давать с инженерной точки зрения и равномерности распределения их на поверхности поля.
По данным [10] установлено, что длительное применение удобрений в севообороте при правильном сочетании их по видам и формам приводит к заметному улучшению физических свойств почвы по сравнению с почвой, не получающей удобрения. При систематическом внесении навоза, а также при смешанной и в значительно меньшей степени при минеральной системе удобрения увеличение содержания органического вещества в почве происходит не только в пахотном, но и нижележащих (0... 120 см) слоях.
Академик Прянишников Д.Н. писал: «Благодаря правильному применению органических и минеральных удобрений, взаимно дополняющих друг друга, можно резко повысить, удвоить и даже утроить урожай»[11].
В работе [12] отмечается ценность и значение навозного удобрения, которое получают в самом хозяйстве. С внесением навоза, на поля возвращается значительная доля тех веществ, которые были взяты растениями из почвы, содержались в соломе и корме скота.
Кандидат биологических наук Каарли Л.И. высказывается за зимнее разбрасывание навоза, которое в условиях крупного сельскохозяйственного производства является экономически целесообразным с точки зрения рационального использования рабочей силы и транспортных средств [13]. В Германии зимнее внесение навоза усиленно применяется для озимых промежуточных культур. Автор отмечает, что такой способ благоприятно влияет и на физические свойства почвы [14; 15; 16; 17].
Однако такой способ внесения не всегда приемлем. В Центрально-Черноземной зоне средняя температура воздуха в январе равна -9 С, поэтому использование разбрасывателей затруднено. Кроме того улетучивается азот до заделки навоза в почву, а при сходе снега на поле не остается многих элементов удобрений. Этот вопрос не новый. Еще в 1828 году Албрехт Таер писал, что «с великой погрешностью и вредом поступают те, кои навоз малыми кучками с возов складывая, на пашне оставляют. Ежели сей навоз не совершил своего брожения, то разлагается он в сих кучках с большим ущербом, поэтому из них ветром разрешающиеся летучие части уносит и сверх того он распределяется не равнообразно. Хлеб на месте, где лежала кучка полегает, а на прочих местах растет в жалком виде»[18]. Поэтому навоз через 2,5.. .3 ч необходимо сразу запахивать.
Васинаускас П.К. подтверждает этот вывод и отмечает, что при хранении навоза в мелких кучках потери общего азота достигают 40 %, а аммиачного - 90 % [19]. При заделке навоза через шесть часов после разбрасывания урожайность картофеля уменьшилась на 8 %, при заделке через сутки - на 12,2 %, через трое суток - на 28,68 %. Поэтому, исследования дают основание высказаться против пропагандируемого некоторыми учреждениями и вызывающего живой интерес у производственников зимнего разбрасывания навоза по заснеженному полю, которое приводит к значительному снижению удобрительного действия навоза [19].
Из разбросанного зимой навоза вымывается много питательных веществ. При хранении же навоза в маленьких кучах под ними образуются переудобренные места. Так при норме внесения навоза 40 т/га на 1 м2 под навозной кучей содержится в 2,4 раза больше азота, в 6,3 раза больше калия и в 1,1 раза больше фосфора, чем на такую же площадь остальной части поля. На Эльмининкской опытной станции было установлено, что если све-жевывезенный в поле навоз (соломенная подстилка) имел 0,67 % от общего азота, то весной после зимнего разбрасывания содержание общего азота снизилось до 0,45 %. При разбрасывании навоза по снегу по 30 т/га теряется около 66 азота, т.е. столько, сколько его имеется в 0,2 т аммиачной селитры [20]. Поэтому наиболее эффективен разбросной способ внесения навоза под зяблевую вспашку и под чистый пар.
По многолетним полевым опытам Талпсепп Э.Я. утверждает, что внесение навоза по 20-25 т/га увеличивает урожайность картофеля 4,0-5,0 т/га, а внесение навоза по 10-50 т/га - на 8 т/га. Запаздывание времени посадки картофеля, из-за весенней развозки навоза из штабелей может вызвать потери урожая, равные всему эффекту от внесенного навоза [21]. При зимней вывозке навоза в кучки весной своевременно не можем провести боронование и заделать его в почву. Из-за этого затягиваются сроки посева сельскохозяйственных культур. Например, по данным В.Штраке и К.Сазум, каждый про-медленный день при посадке картофеля ведет к снижению урожая картофеля на 1%. При восьмидневном опоздании с посадкой картофеля происходит снижение урожая картофеля на 55 ц/га, а при двухнедельном опоздании -даже на 85 ц/га [22].
Из данных полевого опыта Илкова Д. (Болгария) следует, что запашка навоза в августе и внесение его осенью в предварительно глубоко вспаханную почву обеспечивают более высокие урожаи; зимнее и весеннее внесение навоза менее эффективно [23]. Илков Д. утверждает, что внесение навоза под зябь один раз в четыре года экономически выгоднее по сравнению с ежегодным предпосевным внесением органоминеральных смесей. При этом дополнительная чистая продукция на 14 % больше от внесения навоза, чем от органоминеральных смесей.
Определение грузоподъемности низкорамного навозоразбрасывателя по твердости почвы
Анализ технологических схем внесения органических удобрений показал, что основными операциями являются погрузка, транспортирование и внесение удобрений. Различное сочетание операций приводит к различным формам использования машин на внесении удобрений и вызывает различное отношение к ним специалистов и механизаторов хозяйств.
Большинство производственников широко применяют двухфазную технологию. Это объясняется, в основном, отсутствием в хозяйствах необходимого количества кузовных машин, простотой управления работой машин по двухфазной технологии и более высокой производительностью. Однако академик ВАСХНИЛ И.И. Синягин отмечал, что "часто применяемый сейчас способ внесения навоза с помощью растаскивания куч бульдозером или даже рельсовой волокушей на тяге двух тракторов является варварским способом, чем скорее мы от него откажемся, тем лучше".
Обобщение опыта передовиков сельскохозяйственного производства и работ предшественников показывает, что наибольший экономический эффект от технологии и техники имеют те хозяйства, которые применяют кузовные машины на внесении удобрений. Поэтому совершенствовать конструкции кузовных машин и технологии внесения удобрений предлагается с учетом положительных качеств машин для внесения удобрений из куч. Это повышает производительность машин на внесении органических удобрений, что видно из известного уравнения [64]. W„ = 0,l-Bp-Vp-H, (2.48) где WH - производительность агрегата, т/ч; Вр - рабочая ширина захвата навозоразбрасывателя, м; Vp - рабочая скорость движения агрегата, км/ч; Н - норма внесения удобрений, т/га; т - коэффициент использования времени смены.
Для повышения производительности кузовных навозоразбрасывателей необходимо сократить непроизводительные потери времени. Для этого кузовные машины необходимо, главным образом использовать только на рассеве удобрений, подобно машинам, применяемым для внесения навоза из куч. Заправлять навозоразбрасыватель, как еще было сказано выше, необходимо на поле, на месте опорожнения кузова, из самосвальных транспортных средств.
Исходя из разработок профессора Репетова А.Н., длительность цикла навозоразбрасывателя включает [66] t = tm + tBn + tp + txx + tnp, (2.49) где t - длительность цикла, ч; тпт - время подъезда обычного автомобиля-самосвала к кузову навозоразбрасывателя, ч; твп - время выгрузки удобрений из автомобиля-самосвала, и протаскивания навозоразбрасывателя по полю до полной выгрузки навоза, ч; tp - время затраченное на опорожнение кузова навозоразбрасывателя - рабочий ход, ч; txx - время холостого хода агрегата по полю, ч; tnp - прочие потери времени, ч; Время рабочего хода агрегата tp= , (2.50) Vp-Bp-H где G- масса удобрений, находящаяся в кузове навозоразбрасывателя, т В свою очередь G = Q-y, (2.51) где Q - вместимость кузова навозоразбрасывателя, м3 у - плотность удобрений, т/м3. Тогда «Р = -І50П- (2.52) Bp-Vp-H Остальные элементы времени цикла навозоразбрасывателя зависят от конструктивных параметров его и режимов работы. Подставляя уравнения (2.49), (2.50), (2.52) в уравнение (2.48) и решая его, вычислили WH = — е е (2.53) 10-Q-y + Vp-Bp-H(tnT+tBn Из уравнения (2.53) видно, что для повышения производительности навозоразбрасывателя необходимо обосновать вместимость кузова его. Анализ затрат труда и прямых эксплуатационных денежных средств на погрузку, транспортирование и внесение удобрений показывает, что наибольшие затраты приходятся на перевозку груза.
Поэтому грузоподъемность навозоразбрасывателя предлагается определять обоснованной грузоподъемностью транспортной машины для средневзвешенного расстояния от ферм до полей в хозяйстве, из отношения максимального значения перевезенного груза за один час к прямым эксплуатационным затратам денежных средств на час работы самосвала W К = , (2.54) Сз +" GAT0TP + Стсм +- C((q-q6) где WT - производительность автомобиля-самосвала, т/ч; Сз , СДТОТР» Схем - соответственно затраты денежных средств на заработную плату, на амортизацию, ремонт и техническое обслуживание (включая хранение), на топливо и смазочные материалы, руб/ч; Сі - дополнительные прямые эксплуатационные затраты на час работы автомобиля-самосвала, изменяющиеся с увеличением вместимости кузова, руб/ч-м ; q - вместимости кузова автомобиля-самосвала, м ; q6 - вместимость кузова автосамосвала, принятого за базу, м . Часовая производительность автомобиля-самосвала на перевозке органических удобрений выражается уравнением WT= Я сЛ _ (255) П " " ДВГ " " ДВХ + В о где ус - статический коэффициент использования грузоподъемности транспортной машины; tn - время простоя машины по погрузкой, ч; W W - соответственно время движения автомобиля-самосвала с грузом и без него, ч; tB - время простоя самосвала при выгрузке навоза в кузов навозоразбрасывателя, ч; t0 - прочие потери рабочего времени смены, ч. Время простоя автомобиля-самосвала под погрузкой органическими удобрениями определяются по формуле tn= , (2.56) Wn где Wn - производительность погрузчика, т/ч. Хронометражные наблюдения за работой автомобилей-самосвалов грузоподъемностью 3,5; 5,5 и 10 т на перевозке навоза показали, что время движения автомобилей-самосвалов с удобрениями и без них, время выгрузки и прочие потери времени с увеличением грузоподъемности изме 45 няются незначительно. Поэтому, для упрощения анализа производительности транспортной машины, примем их постоянными и обозначим
Устройство низкорамного навозоразбрасывателя
Крайними значениями R являются (+1) и (-1). Если оба ряда порядковых номеров совладают, то значение будет (+1), а значение (-1) - когда оба ряда противоположны друг другу. В данном случае факторы двух исследователей совпадают на 75,7%. Этот вывод является вполне удовлетворительным. Однако для повышения надежности выводов надо знать мнение групп (кафедр) исследователей (табл. 3.3).
Коэффициент конкордации определяется из выражения [101] m2(n3-n) где S - сумма квадратов отклонений; m - число исследователей в группе. (3.3) В свою очередь (3.4) S - — m2(n3-n) 12
Коэффициент конкордации, изменяющийся от 0 до 1, указывает на степень согласованности в мнениях исследователей. Коэффициент конкордации связан со средним значением коэффициента ранговой корреляции R, определенным по Спирмену R = (3.5) mW-1 m-1 Таблица 3.3 Матрицы рангов для пяти исследователей и шести факторов Исследователи Факторы h L H b Б P Первый 1,5 6 1,5 5 4 Второй 2 6 3 4 5 Третий 3 2 4 6 5 Четвертый 2 6 3 5 4 Пятый 2 5 3 4 6 5Суммы Х у 5 10,5 25 14,5 24 24 Разность 2a;j -Z j -12,17 -6,67 7,83 -2,67 6,83 6,83 RAi 148,11 44,49 61,31 7,13 46,65 46,65 Примечание: Z - среднее значение; Z = 17,17. В результате расчетов установили, что W =0,997; R = 0,757 Если имеют место "связанные ранги", то коэффициент задается соотношением W = (3.6) m2(n3 -п)-т Т( где tj - число одинаковых рангов в і-м ранжировании. Сумма ТІ подсчитывается для всех тех исследователей, у которых оказались "связанные" неразрешенные ранги. В решение поставленной нами задачи принимали участие преподаватели кафедр: эксплуатации машинно-тракторного парка и обеспечения жизнедеятельности человека, сельскохозяйственных машин, тракторов и автомобилей Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора Иванова И.И. В табл. П.3.1 и на рис. П.3.3 приведены ранги, полученные при формализации априорных сведений при исследовании размеров кузова низкорамного навозоразбрасывателя.
На основании обработки результатов ранжирования переменных и отсеивающих опытов установили, что к основным факторам относятся: высота платформы от поверхности поля, длина и ширина кузова.
Количество уровней варьирования факторов зависят от целей эксперимента, условий его осуществления и от выбранных критериев. Для построения сложных характеристик процесса необходимо не менее 9 точек (уровней). Для более простых случаев надежную зависимость можно получить по 5-7 точкам [102]. Таким образом, не увеличивая допустимой ошибки и не уменьшая степени надежности заключений, можно при малой изменчивости изучаемых свойств достаточно большое число опытов свести до нескольких единиц. Отсеивающие опыты проводились по двум трем точкам. При отсеивающих экспериментах предполагалось, что поверхность отклика описывается линейной моделью вида [103]: у = b0 + b,x, -f- b2x2 + bi2-xi-x2 + b13-xrx3 + Ьгз Хг-Хз + + b3-x3+...+ bn.i-xn.i + а, (3.7) где Ь0, Ьь b2, b3, b]2, Ь2з, Ъзь bn.i - коэффициенты регрессии при выделенных линейных членах; 1 - число эффектов, отнесенных к шумовому полю (отсеянных); хь х2, х3, ... , хп. -факторы; а - составляющая отклика, отнесенная к шумовому полю вместе с ошибкой опыта.
Для оптимизации размеров кузова низкорамного навозоразбрасывателя использовали метод планирования эксперимента. Перегрузка органических удобрений из обычного автомобиля-самосвала в кузов навозоразбрасывателя рассматривается как стохастический процесс, описываемый вероятностно - статистическими методами, а установившийся режим подъезда автомобиля и подъем кузова его - как непрерывный случайный стационарный [104].
За критерий оптимизации приняли полноту выгрузки - У = Екр. Для установления зависимости между этим показателем и влияющими на его величину факторами решили задачу многофакторного планирования эксперимента.
В данной работе применяемая математическая теория оптимального планирования эксперимента. План эксперимента состоит из восьми опытов в двух сериях, причем каждая серия состоит из четырех опытов. Варьирование факторов происходило на двух уровнях: верхний и нижний [105]. Выбор уровня произведен с учетом полной выгрузки удобрений из модели автомобиля-самосвала в кузов разбрасывателя. Принятые уровни: наименьшая ширина кузова разбрасывателя х1Н = 1,4 м, наибольшая - хів= 2,2 м, наименьшая высота платформы разбрасывателя от поверхности поля х2н = 0,3 м, наибольшая - х2в = 0,7 м; нижний уровень длины кузова разбрасывателя х3н = 3 м; верхний - х3в = 4,5 м. Перед началом эксперимента факторы кодируются. Полуинтервалы варьирования определяются по формуле Ei= — , (3.8) где хів, хІН- соответственно верхний и нижний уровни і-й переменной.
Влияние параметров и режимов работы распределяющего органа низкорамного навозоразбрасывателя на рассев удобрений
Анализ уравнения (4.29) показывает, что с уменьшением высоты установки барабанов от поверхности поля с 1,6 до 0,8 м уменьшается ширина захвата агрегата на 6,25%, и этот показатель находится в пределах ошибки полевого опыта.
Таким образом, в результате обработки данных измерений установили, что неравномерность внесения удобрений возрастает с увеличением высоты установки барабанов от поверхности поля (табл. 4.22). Это происходит потому, что частицы удобрений имеют, как правило, большую начальную скорость полета, чем скорость воздуха, но все-таки легкие частицы удобрений не попадают в крайние противни. Поэтому следует считать, что снижение высоты установке барабанов до 0,8 м от поверхности поля не ухудшает качество внесения органических удобрений, а ширина захвата остается практически постоянной.
По мере интенсификации сельскохозяйственного производства необходимо непрерывно увеличивать количество применяемых органических удобрений. Систематическая работа по подготовке и внесению удобрений является важнейшим условием непрерывного и устойчивого роста урожайности всех культур.
Процессы подготовки и внесения органических удобрений, учитывая сравнительно большие нормы их внесения от 10 до 60 т/га, отличаются значительной энергоемкостью. Рациональное использование таких количеств удобрений невозможно без обеспечения хозяйств высокопроизводительной техникой для внесения их с высоким качеством.
По агротехническим требованиям неравномерность внесения органических удобрений допускается до ± 25 % на один квадратный метр [38].
Чтобы обеспечить высококачественное и экономически выгодное внесение удобрений в данной работе было установлено, что наибольший экономический эффект от технологии и техники достигается при применении кузовных навозоразбрасывателей. Чтобы повысить их производительность в диссертации предложено использовать кузовные навозоразбрасыватели лишь на внесении удобрений, а после опорожнения кузова, заправлять удобрениями из обычных автомобилей самосвалов на поле. В связи с этим разработан и испытан низкорамный навозоразбрасыватель с высотой барабанов от поверхности поля 800 мм вместо 1600 мм. Поэтому возникла необходимость в оценке работы низкорамного навозоразбрасывателя при работе на различных режимах и нормах внесения органических удобрений по неравномерности внесения их.
Опытной основой научного исследования является измерение. Поэтому в хозяйстве на контрольной площадке, в соответствии с методикой исследований было определено качество внесения перегноя. В силу целого ряда причин, главным образом, оттого, что невозможно полностью проконтролировать незначительные изменения весьма большого числа разнообразных возмущающих факторов, измерения не будут одинаковыми, от измерения к измерению они будут испытывать неправильные колебания. Но в этих неправильностях может быть замечена определенная закономерность.
Всякая переменная, принимающая различные значения с определенными вероятностями, является случайной величиной. Поэтому исследование качества внесения перегноя является предметом статистического исчисления. Чтобы установить закон распределения органических удобрений, нужно располагать достаточно обширным материалом - иметь большую совокупность данных. Однако получения их связано с дороговизной и сложностью постановки каждого опыта. Поэтому на практике имеем дело с частичной совокупностью случайных величин. Целью исследования является изучение массы удобрений в пробоотборниках, являющихся некоторой частью общей совокупности.
Для обеспечения надежности выводов необходимо сосредоточить внимание на том, чтобы частичные совокупности значений случайной величины действительно могли служить пробами, по которым можно было бы судить о неравномерности внесения органических удобрений. Для этого надо определить количество пробоотборников и повторность опытов, по которым можно было бы с определенной величиной вероятности сделать заключение.
Относительно величины вероятности Р в практике научных исследований принимается Р=0,95 или Р=0,99 [109]. Допустимая ошибка s = 0,05, тогда при Р=0,95 число изменений должно быть 384.
Упорядочение опытных данных достигается при помощи действия, называемого сводкой данных. При сводке данных опытные данные объединили в разряды и подсчитали, сколько раз встречались значения в каждом разряде. Каждый разряд определяется низким и высшим пределами. По данным работы [109] количество разрядов равно к=9 ... 15. Величина разряда "с" определяется по формуле [109] С= Хтах — Xmjn_? (4 30) к где Хтах и Хт;п - соответственно максимальное и минимальное значение массы удобрений в пробоотборниках, г/м2. Положение разрядов выбрано так, что среднее значение исследуемой величины по возможности находилось ближе к середине начального разряда. Благодаря этому данные, полученные при измерении, прочитываются последовательно, начиная с первого и до последнего. Затем производился подсчет разрядных частот. После этого определили среднее значение случайной величины и основное отклонение.
