Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологий и конструкций культиваторов для предпосевной обработки почвы 9
1.1 Основные требования к обработке почвы 9
1.2 Конструкции культиваторов для предпосевной обработки почвы 15
1.3 Рабочие органы культиваторов для предпосевной обработки почвы 21
2. Теоретические исследования 29
2.1 Механическое воздействие на почву 29
2.2 Обоснование параметров двухъярусной стрельчатой лапы 32
3. Программа и методика экспериментальных исследований 45
3.1 Методика полевых исследований 45
3.2 Методика определения тягового сопротивления 51
3.3 Определение количества зависающей растительности на стойке лапы 54
4. Результаты экспериментальных исследований 56
4.1 Результаты определения качественных показателей 56
4.2 Результаты определения тягового сопротивления инновационных лап 58
4.3 Результаты определения массы зависающей на стойке растительности 58
4.4 Результаты проведения полнофакторного эксперимента типа 22 61
5. Экономическая эффективность культиватора с двухъярусными лапами 78
5.1 Определение технико-экономической эффективности 78
5.2 Технико-экономические показатели 79
5.3 Производительность труда и трудоемкость 80
5.4 Эксплуатационные затраты 81
5.5 Годовой экономический эффект 83
5.6 Капитальные вложения 84
5.7 Окупаемость капитальных вложений 84
Заключение 87
Список литературы 89
Приложения 98
- Конструкции культиваторов для предпосевной обработки почвы
- Методика определения тягового сопротивления
- Результаты проведения полнофакторного эксперимента типа 22
- Эксплуатационные затраты
Конструкции культиваторов для предпосевной обработки почвы
При обработке почвы требуется:
- обеспечение степени крошения почвы не менее 85 %;
- вынос влажной почвы на дневную поверхность не более 10 %;
- выравненность поверхности почвы, гребнистость до 40 мм;
- отсутствие борозд;
- выровненность дна при предпосевной обработке;
- стабильность глубины обработки, вариабельность не более 20 %; Обработку применяют для уничтожения сорняков и рыхления почвы без ее оборачивания при уходе за парами и подготовке к посеву. Рыхление почвы способствует накоплению и сохранению влаги и питательных веществ в форме, доступной для усвоения их растениями [6; 7; 9; 11].
Предпосевную культивацию проводят обычно на глубину заделки семян. Неравномерность глубины обработки не должна превышать ±0,01 м. После культивации верхний слой почвы должен быть мелкокомковатым, а сорные растения -полностью подрезаны. Дно борозды и поверхность поля после культивации должны быть ровными. Высота гребней взрыхленного слоя не должна превышать 0,03...0,04 м, поэтому одновременно с культивацией часто проводят боронование, используются катки. Рабочие органы культиватора не должны выносить на поверхность нижний слой почвы. С увеличением скорости улучшается выравнивание поверхности поля и создаются хорошие условия для работы посевных машин [3; 5]. Стрельчатые лапы вызывают невыровненность поверхности и вынос влажной почвы на дневную поверхность. Конструктивная схема культиваторов остается одинаковой: несколько рядов стрельчатых лап с радиальной подвеской, секции зубовых борон, прикатывающие катки [1–5; 10].
В почвообрабатывающих культиваторах применяют разные варианты выравнивания поверхности после прохода стрельчатых лап (рисунок 1.2).
Культиваторы оборудованы приспособлением для навески секций зубовых борон, обеспечивающих рыхление почвы на глубину до 12 см с уничтожением сорняков [24, 31–33].
Глубина обработки поддерживается копирующими колесами. Однако ввиду того, что они располагаются на расстоянии от рабочих органов, добиться высокой стабильности их хода невозможно. Наличие угла крошения и стоек, разрезающих верхний слой почвы, приводит к раздвиганию, выносу влажной почвы за стойками, образованию бороздок. Глубина и ширина их увеличивается с ростом скорости движения культиватора. Создается нетехнологичный фон для посева [ 39; 40; 47].
Культиватор комбинированный скоростной ШККС (рисунок 1.5) предназначен для сплошной предпосевной и паровой обработки почвы, уничтожения сорной растительности с максимальным сокращением стерни и других пожнивных остатков на полях, обработанных плоскорезными и безотвальными орудиями под посевы яровых, овощных и пропашных культур. Агрегатируется с тракторами тягового класса 30–50 кН. Культиватор представляет собой широкозахватную прицепную машину с шарнирно-секционной рамой, с трехрядным расположением рабочих органов, с заравнивающим приспособлением в виде роторных боронок.
1. Роторная борона (каток) и легкая двухрядная борона с пружинными зубьями.
2. Навеска для установки борон БЗСТ-1,0; БЗСС-1,0.
Паровой культиватор КП-4 (рисунок 1.6) производства ОАО РТП «Петровское», г. Светлоград Ставропольского края, представляет собой современный аналог культиватора КПС-4, выполняет те же операции, но отличается тем, что на данной машине каждый рабочий орган имеет собственную пружину-стабилизатор и жестко крепится стремянками к раме культиватора, в то время как на КПС-4 стойка лапы жестко крепится к подпружиненному грядилю. Вместо зубовых борон также установлена борона с пружинным зубом и прикатывающие катки.
Анализ конструкций культиваторов, выпускаемых в России, проведенный А. Ю. Несмиян и В. В. Должиковым (таблица 1.2), показал, что «…при производстве культиваторов сохраняется тенденция использования устоявшихся еще с середины ХХ века конструктивных решений, что приводит к их относительно низкой производительности при высоких затратах энергии и металлоемкости. В связи с этим возникает необходимость поиска принципиально новых технических решений, позволяющих повысить эффективность сплошной культивации почвы с учетом экономических, почвенно-климатических и ландшафтных особенностей хозяйств АПК» [46; 71–73].
Основными задачами предпосевной обработки почвы является обеспечение высокой стабильности глубины хода рабочего органа, мелкокомковатой структуры верхнего слоя и выровненной поверхности с отсутствием бороздок и выноса влажной почвы на дневную поверхность. Необходимы рабочие органы, позволяющие работать на повышенных скоростях, обеспечивающих повышение производительности на 30…40 %. Требует решения система копирования, упрощающая конструкцию и снижающая вариабельность глубины обработки [73–77].
По результатам анализа научных работ И. М. Панова, В. А. Сакуна, И. В. Горбачева, И. Б. Борисенко, Н. Е. Руденко, А.Ю. Измайлова, Я.П. Лобачевского, А. Б. Кудзаева, В. Б. Рыкова, В. А. Черноволова, С. Н. Капова, Н. К. Мазитова, Л. В. Гячева, С. И. Камбулова, А. Т. Лебедева, А. С. Найденова, А. Ф. Бурбеля, Д. А. Петухова, А. Ю. Несмияна, О.А. Сизова, И. М. Киреева и других выявлены основные недостатки культиваторов для поверхностной обработки почвы и определены направления исследований для их устранения.
Методика определения тягового сопротивления
В настоящее время для измерения тягового сопротивления навесных сельскохозяйственных машин не существует специального приспособления и методики динамометрирования с использованием современных информационных систем.
Разработано тензометрическое приспособление, состоящее из двух брусьев 1 и 2, проушины 3, подвижной вертикально-горизонтальной части 4, тензо-метрического датчика «DAСELL» TS21 - Т5 5, вертикальной серьги 6, поддержек 7 (рисунок 3.6)
При проведении динамометрирования брус 1 при помощи стремянок крепится к треугольнику автосцепки трактора, а брус 2 к брусу машины (рисунок 3.7). Когда агрегат находится в покое, брус навесной машины опирается на поддержки 7, что исключает нагрузку на тензометрический датчик 5, он, в свою очередь, служит лишь стабилизатором от возможного поворота бруса 2.
Тензометрическое приспособление для динамометрирования Подвижная вертикально-горизонтальная часть 4 и вертикальная серьга 6 позволяют совершать трактору небольшие криволинейные колебания в горизонтальной и вертикальных плоскостях без возможности повреждения и нарушения точности измерений тензометрического датчика.
В процессе движения при проведения измерений тензометрический датчик «DASELL» TS21 - T5 (максимальная нагрузка 5 т) считывает нагрузочные показатели и определяет их модуль обработки данных тензометри-ческой станцией KYOWA. Обработав данные, тензостанция выводит на экран ноутбука фактические числа нагрузочных показателей, в том числе и «ОНЛАЙН». Данные записываются и сохраняются на жестком диске ПК.
Трехплоскостная силовая характеристика машины состоит из продольной Fx, поперечной Fy и вертикальной Fz составляющих (рисунок 3.8). Продольная составляющая Fx представляет собой тяговое сопротивление машины.
Е определяют путем линейного динамометрирования. Величина Fx зависит от технологических свойств почвы, глубины обработки, рабочей скорости движения, параметров рабочих органов [17; 19; 21; 24; 33].
В процессе движения агрегата вертикальная составляющая Fz гасится поддержкой 7, а поперечная Fy – нивелируется подвижной вертикально-горизонтальной частью 4. На культиваторе КРН-5,6 установили поочердно по пять лап. Испытания проводились при работе на скоростях 10, 14, 18 км/ч. После рабочих ходов на таких же режимах проводили холостые ходы с поднятыми лапами.
По полученным данным определены
F = F – F х, (3.3)
где Fтл – тяговое сопротивление лап, Н;
Fтр – тяговое сопротивление культиватора при рабочем ходе, Н;
Fтх – тяговое сопротивление культиватора при холостом ходе, Н.
Удельное тяговое сопротивление лапы
Результаты проведения полнофакторного эксперимента типа 22
С целью взаимодействия факторов и параметров двухъярусной лапы проведен полный факторный эксперимент типа ПФЭ 22 [12; 13; 15; 22; 39; 59].
Основные факторы и уровни их варьирования в натуральном и кодированном выражении представлены в таблице 4.3
Параметры оптимизации:
- степень крошения почвы, Ск, %;
- степень выноса влажной почвы на дневную поверхность, Св, %;
- гребнистость поверхности, Г, мм;
- коэффициент вариации глубины обработки почвы, v, %.
При проведении экспериментов интервалы варьирования контролируемых факторов значительно превышали ошибки показаний регистрирующей аппаратуры. Опыты проведены по матрице ПФЭ 22 (таблица 4.4) в последовательности, имеющей случайный характер. Повторность опытов шестикратная.
Пользуясь таблицей случайных чисел, была принята следующая последовательность опытов : 4-й, 2-й, 1-й, 3-й.
По результатам экспериментальных исследований составлено уравнение регрессии в кодированном и натуральном видах для параметров оптимизации (общий вид) Y(Qк) = b0 ± bxXx ± b2X2 ± bX2XxX2.
Это уравнение регрессии устанавливает связь между параметром оптимизации Qк и факторами – рабочая скорость движения агрегата V и расстояние между лемехами h.
Необходимо проверить однородность дисперсий по критерию Кохрена [13; 16; 19; 42; 49; 53].
Проверен на гипотезу значимости коэффициентов уравнения регрессии по критерию Стьюдента [13; 15; 20; 48; 53]. Необходимо проверить адекватность статистической математической модели по критерию Фишера.
Результаты полного факторного эксперимента (ПФЭ 22) представлены в таблице 4.5.
С критерием GР связаны степени свободы: для числителя Д = п 1, для знаменателя = N. Для заданной доверительной вероятности а по значениям/1 и/2 определяется критическое значение критерия Кохрена GКР Результаты расчета показаны в таблице 4.10.
Полученные значения расчетного критерия Кохрена (таблица 4.10) меньше табличных (критических) значений. Следовательно, гипотеза об однородности дисперсий подтверждается при 5 % уровне значимости.
Если данное условие выполняется, то коэффициенты считаются значимыми. Если же для какого-то из коэффициентов это условие не выполняется, то этот коэффициент считается незначимым или равным нулю, так как отличным от нуля он мог стать из-за ошибок эксперимента (таблица 4.16).
Из анализа уравнений в кодированном виде и изолиний поверхности отклика следует, что наиболее значимым для крошения почвы является скорость рабочего движения, а для других критериев оптимизации – расстояние между верхним и нижним лемехами (рисунки 4.7–4.17). По результатам многофакторного эксперимента рациональными параметрами являются: скорость рабочего движения 17,2–17,4 км/ч, расстояние между лемехами при глубине обработки 6,0 см, равное 7,0–7,2 см.
Эксплуатационные затраты
Они определяются по формуле
И = (ОТ+А + РТ+Г)П, (5.10)
где И - прямые эксплуатационные затраты, руб/га;
ОТ - оплата труда с отчислениями на социальные нужды, руб/га;
А - амортизационные отчисления, руб/га;
РТ - затраты на ремонты и техобслуживание, руб/га;
Г - затраты на топливо и смазочные материалы, руб/га;
П - коэффициент, учитывающий прочие прямые затраты, П = 1,05.
Оплата труда с отчислениями на социальные нужды определяется по формуле
О = ЗМКТКПКС
где ЗМ - минимальная оплата труда за смену, руб. (ЗМ = 400 руб.);
КТ - тарифный коэффициент (для тракториста-машиниста КТ = 2,76);
КП - повышающий коэффициент, (для тракториста-машиниста КП = 1,8);
КС - коэффициент, учитывающий отчисления на социальные нужды (КС = 0,739).
Оплата труда с отчислениями по основным профессиям сельскохозяйственных работников приведена по таблицам ETC.
БАЗОВЫЙ: О = 400-2,76.1,8.0,739 =
ЭТ 269
ВАРИАНТ: ОВТ = 400-2,76.1,8.0,739 =
Амортизационные отчисления определяются по формуле
А= БМа М , (5.12)
Жгод-100
где БМ - балансовая стоимость машины, руб.;
аМ - нормы ежегодных амортизационных отчислений машин, % (аМ = 16,7 %).
Балансовая стоимость сельскохозяйственных машин, выпускаемых промышленностью, определяется по формуле
БМ=ЦКд, (5.13)
где Ц - цена приобретения машины, руб. (Ц = 150,000 руб.);
Кд - коэффициент, учитывающий дополнительные затраты на транспортировку, монтаж и снабженческо-торговые расходы. Для машин, не требующих монтажа, Кд = 1,1.
Для машин, требующих монтажа, Кд = 1,2.
Цена на серийную машину взята из прейскурантов торгующих организаций.
Бм = 150000 -1,1 = 165000 руб.
Цену на разрабатывающую машину определяем по сопоставимой массе с учетом дополнительных затрат на изготовление новых конструктивных элементов
БВМ=БЭМ- КИ, (5.14)
где Бвм, Бэм - балансовая стоимость разрабатываемой и эталонной машины соответственно, руб.;
GB, G3 - масса предлагаемой машины и эталонной машины соответственно, кг; Ки - коэффициент, учитывающий сложность изготовления (Ки = 1,2).
Тогда
BRM =165000.2 . 12 = 143314 руб.
вм 1050
БАЗОВЫЙ: Аэ = ".16,7 3 403,2-100
ВАРИАНТ: Ав = 65000-16,7
в 604,8-100
Затраты на ремонт и техобслуживание
р БмрМ /5Л5ч
Жгод -100 где pм - нормы ежегодных отчислений на ремонты и техобслуживание машины, % 0pм= 18 %). БАЗОВЫЙ: рэт = 50000.18 =
эт 403,2-100
ВАРИАНТ 165000 18 = 49,1 руб/га. вт 604,8-100
Затраты на топливо и смазочные материалы определяются по формуле
Г = GTС, (5.16)
где GT - суммарный расход топлива, кг/га;
С - комплексная цена 1 кг топлива, руб. (С = 30 руб.). По справочным данным, степень снижения расхода топлива соответствует тройному снижению тягового сопротивления AT.
При AT = 42,7 % снижается расход топлива = 14,2 %. Тогда:
БАЗОВЫЙ: GT3= 3,3 кг/га;
ВАРИАНТ: GTR = 3,3- 3 344 2 = 2,8кг/га.
тв 100
ЭТАЛОН: Гэ = 3,3 35 = 115,5 руб/га.
ВАРИАНТ: Гв = 2,8 35 = 98,0 руб/га.
БАЗОВЫЙ: Иэ=(54,6 + 62Д + 67,0 + 115,5)-1,05 = 314,2 руб/га.
ВАРИАНТ: Ив= (36,0+ 45,6+ 49,1 + 98,0)4,05 = 228,7 руб/га.
Удельная экономия эксплуатационных затрат определяется из выражения
Э3=ИЭ-ИВ. (5.17)
Э3 = 314,2 - 228,7 = 85,5 руб/га .
Степень снижения эксплуатационных затрат
С -А. 100 %. (5.18) = 85 . 10о о/о = 27,2 %. 3 314,2
Годовая экономия от сокращения эксплуатационных затрат
Эгз=Э3 год. (5.19)
Эгз =85,5 + 604,8 = 517104 руб.