Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса поверхностного внесения твердых органических удобрений, цель и задачи исследования 10
1.1 Влияние органических удобрений на плодородие почв 10
1.2 Анализ технологий поверхностного внесения твердых органических удобрений 13
1.3 Технические средства для поверхностного внесения твердых органических удобрений. 17
1.4 Цель и задачи исследований 37
2 Теоретические исследования технологического процесса поверхностного внесения твердых органи ческих удобрений валкователем-разбрасывателем 39
2.1 Обоснование технологических и качественных параметров распределения твердых органических удобрений по поверхности поля валкователем-разбрасывателем 39
2.2 Обоснование параметров роторного разбрасывателя 46
2.2.1 Обоснование параметров конструкции ротора с шарнир-но-сочлененными лопатками 46
2.2.2 Обоснование режимных параметров работы ротора с шарнирно-сочлененными лопатками 49
2.3 Энергоемкость процесса поверхностного внесения твердых органических удобрений роторным разбрасывателем с шар нирно-сочлененными лопатками 60
Выводы 62
3 Программа и методика экспериментальных исследований роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками 63
3.1 Программа исследований 63
3.2 Общая методика исследований 64
3.3 Описание экспериментальной установки 65
3.4 Определение режимных параметров рабочего органа разбрасывателя 68
3.4.1 Определение угла сектора рассева и скорости схода удобрений 69
3.5 Методика определения коэффициента парусности твердых органических удобрений 70
3.6 Методика определения качественных показателей процесса внесения твердых органических удобрений 72
3.6.1 Методика определения неравномерности распределения твердых органических удобрений по поверхностиполя 72
3.6.2 Методика определения рабочей ширины внесения твердых органических удобрений 75
3.7 Методика определения энергетических показателей разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками 76
3.8 Методика определения технологических показателей валкова-теля-разбрасывателя 77
3.9 Методика обработки результатов экспериментов 78
4 Результаты экспериментальных исследований роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками и их анализ 82
4.1 Определение угла сектора рассева и скорости схода удобрений с лопаток ротора 82
4.2 Определение коэффициента парусности твердых органических удобрений 85
4.3 Определение качественных показателей внесения удобрений роторным разбрасывателем 86
4.4 Определение энергетических показателей разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками 99
4.5 Определение технологических показателей валкователя-раз-брасывателя 100
Выводы 103
5 Технико-экономическое обоснование разработанного роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками 105
5.1 Методика инженерного расчета роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками 105
5.2 Экономическая эффективность роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками 106
Общие выводы 119
Литература 121
Приложения 134
- Влияние органических удобрений на плодородие почв
- Обоснование технологических и качественных параметров распределения твердых органических удобрений по поверхности поля валкователем-разбрасывателем
- Определение режимных параметров рабочего органа разбрасывателя
- Определение угла сектора рассева и скорости схода удобрений с лопаток ротора
Введение к работе
В условиях интенсивного ведения сельского хозяйства одной из важнейших проблем земледелия является воспроизводство почвенного плодородия и создание в системе почва-растение бездефицитного баланса питательных веществ. Получение возрастающих урожаев должно сопровождаться программированным регулированием почвенного плодородия, основным показателем которого является содержание и состав органического вещества (гумуса).
Важнейшим мероприятием, направленным на сохранение почвенного плодородия, является увеличение производства и применения органических удобрений. Эффективность использования органических удобрений во многом зависит от применяемых технологий и технических средств для их внесения.
Анализ сложившегося положения показывает, что одним из сдерживающих факторов применения органических удобрений является отсутствие достаточного количества технических средств для своевременного и качественного их внесения. Существующие в настоящее время машины и оборудование, технологические приемы не отвечают современным требованиям в первую очередь по качеству распределения удобрений. Поэтому разработка новых технологических процессов внесения твердых органических удобрений, средств механизации для их осуществления, направленных на повышение плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур, является одной из актуальных задач, стоящих перед сельскохозяйственным производством.
Выпускаемые в настоящее время разбрасыватели для транспортировки и внесения удобрений представлены полуприцепными (типа ПРТ и РОУ) и навесными машинами (валкователи-разбрасыватели). В Южном Федеральном округе (ЮФО), где площади полей достигают 100 га и более, широкое применение находит технология внесения твердых органических удобрений из куч с применением валкователей-разбрасывателей по двухфазной технологии.
Основным преимуществом двухфазной технологии является высокая производительность валкователя-разбрасывателя и возможность использовать автотранспортную технику в то время года, когда она менее загружена (без жесткой привязки к сезонным работам).
Однако, анализ конструкций разбрасывателей /1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 71, 73/ показал, что они требуют дальнейшего совершенствования в направлении повышения равномерности распределения удобрений по ширине и ходу движения агрегата, снижения энергоемкости процесса и металлоемкости, повышения производительности агрегата и надежности технологического процесса.
Исходя из этого, целью исследований является повышение качества поверхностного внесения в почву твердых органических удобрений по двухфазной технологии.
Объект исследований: процесс распределения твердых органических удобрений по поверхности поля разбрасывателем роторного типа с шарнир-но-сочлененными лопатками.
Предмет исследований: закономерности процесса распределения твердых органических удобрений по поверхности поля разбрасывателем роторного типа с шарнирно-сочлененными лопатками.
Научная гипотеза: снижение неравномерности распределения твердых органических удобрений по поверхности поля роторным разбрасывателем может быть достигнуто путем использования переменных радиусов выброса частиц удобрений, за счет отклонения на некоторый угол закрепленных в шарнирах лопаток ротора.
Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к решению вопроса повышения качества внесения в почву твердых органических удобрений по двухфазной технологии разбрасывателем роторного типа с переменным радиусом выброса частиц удобрений, анализа и обобщения теоре-
7 тических положений и экспериментальных исследований, в результате которых установлены: качество распределения удобрений по поверхности поля в зависимости от радиуса ротора, радиуса расположения шарнирного элемента наиболее приближенного к оси вращения ротора, ширины лопатки и ротора, угла отклонения лопатки от плоскости лопасти и частоты вращения ротора; зависимость угла сектора рассева удобрений и коэффициента парусности от физико-механических свойств твердых органических удобрений, частоты вращения и радиуса ротора; параметры и режимы работы роторного разбрасывателя с переменным радиусом выброса частиц удобрений.
Практическая значимость заключается в разработке рабочего органа роторного разбрасывателя твердых органических удобрений с шарнирно-со-члененными лопатками (патент № 2287252), использование которого позволяет: повысить качество распределения твердых органических удобрений на 4,4%; снизить потери урожая от неравномерного распределения удобрений на 0,39 ц/га; получить годовой экономический эффект от использования разработанного разбрасывателя в размере 63450 рублей.
На защиту выносятся следующие основные положения: закономерности процесса распределения твердых органических удобрений шарнирно-сочлененными лопатками роторного разбрасывателя, связывающие величину дальности бросания частиц с геометрическими и кинематическими параметрами лопасти ротора; теоретическое и экспериментальное обоснование параметров и режимов работы роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопат-
8 ками, обеспечивающих равномерное распределение твердых органических удобрений по поверхности поля; — методика инженерного расчета роторного разбрасывателя с переменным радиусом выброса частиц удобрений.
Реализация результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, 2004-2008 гг.); на международной научно-практической конференции «Гидравлика и механика на службе агропромышленного комплекса» (пос. Персиановский, 2005 г.); на П-ой Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» (г. Саратов, 2008 г.).
Содержание работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения.
В главе 1 проведен анализ технологических процессов поверхностного внесения твердых органических удобрений и технических средств для их реализации, указаны недостатки существующих конструкций.
Поставлены цель и задачи исследований.
В главе 2 проведены теоретические исследования технологического процесса поверхностного внесения твердых органических удобрений из куч валкователем-разбрасывателем.
В главе 3 определена программа экспериментальных исследований. Приведена методика экспериментальных исследований определения параметров и качества работы экспериментального рабочего органа.
В главе 4 экспериментально обоснованы параметры ступенчатого ротора разбрасывателя твердых органических удобрений.
В главе 5 определена технико-экономическая эффективность применения валкователя-разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками.
Публикация результатов исследований. Результаты проведенных исследований отражены в 10 печатных работах, в том числе 2 патента РФ.
9 Работа выполнена на кафедре инженерной графики Азово-Черномор-ской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград, Ростовской обл.) в соответствии с планом НИР академии.
Влияние органических удобрений на плодородие почв
Основным средством сельскохозяйственного производства является земля, и от того, как она используется, какую продуктивность возделываемых культур позволяет иметь, зависят и экономические показатели отрасли. Показателем органической доли плодородия почв является содержание в них гумуса, что связано с его комплексным воздействием на почвенные процессы.
С помощью органических удобрений можно воспроизвести гумус в пахотных почвах, так как они обладают мощным энергетическим потенциалом для создания эффективной питательной среды растениям. Влияние органических удобрений на содержание гумуса в почве далеко неоднозначно. При внесении органических удобрений количество гумуса в почве поддерживается, как правило, на исходном уровне, а при внесении больших норм - увеличивается/19, 88,89/.
Наиболее глубокие исследования, связанные с подготовкой навоза в качестве удобрения и внесением его на поле, были проведены в 70-80-е годы многими НИИ бывшего СССР. Наибольший вклад в решение данной проблемы внесли такие ученые как Н.М. Марченко, М.Г. Догановский, А.Е. Ше-балкин, В.П. Коваленко, A.M. Бондаренко, Г.П. Варламов, С.Н. Никулин, В.И. Вялков, Е.А. Губарев, А.Н. Гудков, В.В. Рядных, М.А. Литвинов и другие /30, 36, 46, 52, 61, 65, 68, 73, 76, 83, 92, 94, 117/.
При получаемых урожаях сельскохозяйственных культур и применяемой агротехнике средневзвешенная минерализация гумуса составляет около 900 кг/га. Следует заметить, что это не много, поскольку чем больше разлагается перегноя, тем лучший питательный режим создается в почве и, следовательно, имеется возможность получать высокую урожайность возделываемых культур. Чтобы почва не истощалась, в ней параллельно с распадом перегноя, протекают процессы его новообразования. Таким образом, необходимо уравновесить данные процессы, а еще лучше, когда воспроизводство гумуса доминирует над его минерализацией. К сожалению, в нашем земледелии разложение перегноя не компенсируется новообразованием гумусовых соединений. Примерно 520-550 кг гумуса восстанавливается от разложения растительных остатков возделываемых культур, еще около 100 кг формируется в результате гумификации вносимых органических удобрений. В сумме это обеспечивает 620-650 кг/га и свидетельствует о дефиците перегноя в размере 250-280 кг/га /12, 95, 100/. Подобная ситуация с обеспечением пахотных почв гумусом складывается в целом по Российской Федерации.
Поскольку основным источником пополнения в почве перегноя являются органические удобрения, то важно выдерживать научно-обоснованные дозы их внесения. От уровня содержания гумуса в почве зависит ее плотность, пористость, воздушный режим, выраженность агрегатного состава, поглотительная и водоудерживающая способность. Воздействие гумуса на почву может быть как прямым, так и опосредованным. Свои функциональные способности в большей мере он выполняет в том случае, когда его содержание соответствует оптимальному уровню, применительно к каждой разновидности почв /17/.
Руководители хозяйств, где имеют достаточно высокие и стабильные по годам урожаи хорошо знают, что достичь таких показателей они смогли в результате умелой работы с землей и, прежде всего вследствие постоянного пополнения в почве гумуса /107/. Почвы бедные перегноем сильно уплотняются, они бесструктурные, что приводит к снижению капиллярного поднятия воды в корнеобитаемый слой при ее глубоком опускании, у них меньшая во-довместимость в случае избыточного выпадения дождей летом. Для воспроизводства содержания гумуса в пахотных почвах важно умело сочетать при менение органических удобрений и наиболее полную гумификацию всей массы растительных остатков от возделываемых культур.
Задача управления качеством распределения удобрений по всему обрабатываемому полю при поверхностном их внесении сопряжена с определенными сложностями, вызванными тем, что доза и неравномерность распределения удобрений по полю зависят от рабочей ширины захвата. Для упрощения задачи целесообразно пользоваться обобщенным показателем. В качестве такого показателя может быть величина, характеризующая недобор урожая (рис. 1.1).
Обоснование технологических и качественных параметров распределения твердых органических удобрений по поверхности поля валкователем-разбрасывателем
Процесс поверхностного внесения твердых органических удобрений валкователем-разбрасывателем основан на выбросе материала ротором, который происходит под некоторым углом к поверхности поля. По сравнению с рабочими органами других машин, это позволяет получить большую дальность рассева удобрений, а, следовательно, и большую рабочую ширину захвата машины.
Характер процессов, происходящих на лопастях работающего ротора, остается неизменным и сводится к следующему. Материал, захваченный лопастью, некоторое время перемещается и скользит относительно нее под действием центробежной силы. Достигнув конца лопасти, материал выбрасывается ротором, получив некоторую начальную скорость для свободного полета и рассева по поверхности поля /39/.
Схема для определения качественных параметров распределения твердых органических удобрений представлена на рисунке 2.1 /22/.
Основными показателями качества выполнения технологического процесса валкователем-разбрасывателем являются: доза внесения, равномерность распределения удобрений по ширине и ходу движения агрегата, которые тесно взаимоувязаны с дозой внесения удобрений и рабочей шириной их распределения на поле /27, 81,105/.
Приняв Lj=L2=L (рис. 2.1), общая ширина внесения твердых органических удобрений определяется по выражению где L, и L2 - дальности бросания частиц, соответственно левым и правым роторами, м; а - расстояние между крайними точками схода частиц с лопаток роторов, м.
За рабочую ширину внесения удобрений принимают ширину (с перекрытием) при которой обеспечивается требуемая равномерность распределения. ВР=В - 2, (2.2) где I - ширина полосы удобрений с равномерностью распределения выше нормативной, м. Для качественного внесения ТОУ необходимо соблюдать неразрывность валка при условии постоянства скорости движения агрегата.
Процесс работы ротора с шарнирно-сочлененными лопатками представлен на рисунке 2.2 /23/.
Дальность полета частицы зависит от многих факторов, основными из которых являются: начальная скорость схода частиц с лопатки, угол схода частиц, высота расположения точки выброса над землей, сопротивление воздуха и другие /70/. Указанную величину необходимо определить аналитически и проверить экспериментальным путем.
Известно, что траектория свободного полета единичного тела в безвоздушном пространстве представляет собой параболу. Дифференцированное уравнение движения порции материала относительно принятой системы координат без учета сопротивления воздуха имеет вид /62/
Схема работы ротора с шарнирно-сочлененными лопастями Продифференцировав выражения (2.3) и выполнив соответствующие преобразования, определим время движения порции материала относительно осей координат. Приравняв время движения порции материала относительно осей ОХ и ОУ, и решив уравнение относительно V, получим выражение шьность бросания порции материала рабочим органом, м; іьісота выброса материала рабочим органом от поверхности t; іаксимальная высота полета материала от поверхности земі той стороны начальная скорость полета частицы істота вращения разбрасывающего органа, об/мин; адиус окружности, описываемой концом лопасти разбрасы ) органа, м. авняв правые части уравнений (2.4) и (2.5), получим з соответствующих преобразований получим уравнение дл іьности бросания частиц материала сражению (2.7) дальность полета частицы удобрений заві вных (R) и режимных (п) параметров разбрасывающего я высота полета частицы удобрений (h}) зависит от их (] :их свойств и сопротивления окружающей среды (возду сываемые концами лопаток, изменяются в значениях от Rt )нения лопаток от плоскостей лопастей изменяются в зна Также величина дальности полета зависит от угла сектора ] 0. том вышеизложенного выражение (2.7)
Определение режимных параметров рабочего органа разбрасывателя
Проведенными теоретическими исследованиями установлено влияние режимных, конструктивных и технологических параметров на процесс распределения твердых органических удобрений роторным разбрасывателем с шарнирно-сочлененными лопатками. Однако влияние указанных параметров на качество распределения удобрений по ширине и ходу движения машины теоретически выявить не удалось.
Экспериментальному исследованию процесса распределения удобрений разбрасывателями роторного типа посвящен ряд отечественных и зарубежных работ /30, 32, 33, 36, 38, 55, 57, 64, 90, 96, 105, 116, 118/. В методике проведения экспериментов накоплен определенный положительный опыт. Все это тщательно изучалось и учитывалось при разработке методики экспериментальных исследований.
В связи с тем, что до настоящего времени проблема поверхностного внесения твердых органических удобрений разбрасывателями роторного типа изучена недостаточно глубоко, трудно на основе только теоретических исследований выявить основные закономерности процесса их распределения.
Поэтому целью экспериментальных исследований являлось выявление основных закономерностей распределения твердых органических удобрений в технологическом процессе работы валкователя-разбрасывателя, а также обоснование конструктивных и режимных параметров роторного разбрасывателя с шарнирно-сочлененными лопатками, обеспечивающих равномерное распределение удобрений по поверхности поля /41, 79, 111/.
Программа исследований предусматривала определение технологических и качественных показателей при внесении твердых органических удоб рений валкователем-разбрасывателем.
Опыты по определению качественных показателей работы валковате-ля-разбрасывателя к трактору класса 3 предусматривали определение равномерности распределения удобрений по ширине захвата агрегата и по ходу движения.
Основными технологическими показателями работы агрегата были определены его производительность и доза внесения твердых органических удобрений. Эти показатели определяли после получения качественных показателей.
Исследования проводили по РД 10 7.2-99 и ОСТ 70.7.2-82 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для внесения твердых органических удобрений. Программа и методы испытаний» /87/.
Исследования при проведении экспериментов проводились на валкова-теле-разбрасывателе к трактору класса 3 для внесения твердых органических удобрений.
При изучении распределения ТОУ роторным разбрасывателем с шар-нирно-сочлененными лопатками из кучи удобрений с помощью валкователя вытягивали валок, включали привод роторов, устанавливали необходимые значения исследуемых параметров и при установившемся движении через определенно размеченные участки выполняли проходы в трехкратных по-вторностях.
Для выявления основных закономерностей процесса распределения удобрений роторами с шарнирно-сочлененными лопатками устанавливали необходимую производительность дозатора путём изменения высоты выпускного отверстия в валкователе. При установившемся движении на заранее размеченных участках с расставленными в определенном порядке противня ми осуществляли учет распределения удобрений. Попавшие в противни удобрения взвешивали на весах ВЛТК-500.
На основе проведенного анализа конструкций разбрасывателей твердых органических удобрений (гл. 1 п. 1.3.) был разработан и изготовлен экспериментальный образец роторного разбрасывателя (рис. 3.1, рис. 3.2) /69/. Экспериментальная установка состояла из рамы 7, редуктора 2, предохранительной муфты 3, двух роторов 4 и задвижки 5. На лопастях одного из роторов установлены шарнирные элементы 6, расположенные на теоретически обоснованных радиусах от оси вращения (гл. 2 п. 2.2.1.), причем одна из ступенек (крайняя по ходу движения) выполнена цельной. Привод рабочих органов и изменение числа их оборотов осуществлялось от В ОМ трактора через карданную передачу. Число оборотов роторов изменяли в пределах от нижнего п=250 с до верхнего уровня варьирования п=350 с 1, основной уровень п=300 с1.
Схема экспериментального образца роторного разбрасывателя
В общем случае рабочий процесс роторного разбрасывателя осуществляется следующим образом. Агрегат подходит к куче навоза, перемещает ее по ходу движения и формирует валок заданных размеров (рис. 3.3). Образованный валок захватывают роторы.
Определение угла сектора рассева и скорости схода удобрений с лопаток ротора
На основе анализа литературных источников и проведения предварительных экспериментов известно, что на величину угла сектора рассева ( 9) влияют ширина лопасти и диаметр ротора, количество лопастей, угол отклонения лопатки от плоскости лопасти, частота вращения и радиус подачи. Экспериментальные исследования по влиянию всех перечисленных факторов на величину угла сектора рассева не проводились, т. к. этот вопрос исследовался многими учеными /35, 47, 50, 105/.
Величина угла сектора рассева в зависимости от частоты вращения изменяется незначительно (рис. 4.1). Так, при частоте вращения в диапазоне 250...350 об/мин величина угла сектора рассева оставалась неизменной и составила 74 (рис. 4.2). Теоретическое значение угла сектора рассева при 250 об/мин составило 87,95, а при 350 об/мин - 88,53.
Величина относительной и абсолютной скоростей схода частиц удобрений с лопаток ротора зависит от его режимных и конструктивных параметров. Экспериментальное определение относительной скорости схода удобрений с лопаток ротора проводилось по углу сектора рассева 0. В экспериментальных исследованиях диапазон факторов влияния на величину относительной скорости Vr был уменьшен до минимума, так как эксперимент проводился с параметрами ротора, удовлетворяющими технологическому процессу работы и агротехническим требованиям. На рисунке 4.3 представлен график зависимости относительной скорости Vr от частоты вращения ротора при следующих параметрах: длина лопатки - 0,15 м, угол отклонения лопатки от плоскости лопасти — 30, радиус расположения шарнира ент трения удобрений о лопатку — 0,15.
Данные рисунка 4.1. показывают, что разница теоретического и экспериментального значения угла сектора рассева удобрений составляет от 15,86 до 16,15%.
В результате анализа графика зависимости (рис. 4.3) относительной скорости Vr видно, что погрешность между теоретическими и экспериментальными значениями составляет от 33,61 до 38,33%. Разница теоретического и экспериментального значения абсолютной скорости составляет от 17,39 до 18,20%, что подтверждается результатами, представленными на рисунке 4.4. Такие погрешности обусловлены отклонением значения угла трения удобрений по поверхности лопатки от принятого расчетного.
В результате сравнения графических зависимостей установлено, что теоретические зависимости можно использовать для практических расчетов ротора с шарнирно-сочлененными лопатками.
В результате обработки полученных данных по определению коэффициента парусности твердых органических удобрений получили вариационную кривую (рис. 4.5).
Из графика вариационной кривой парусности твердых органических удобрений видно, что она имеет колебательный характер. На участке 3,85...7,98 м/с наблюдается увеличение массы витающих частиц. Далее при скорости воздушного потока 7,98... 13,26 м/с происходит перераспределение частиц удобрений, что показывает колебательная кривая. И на участке при скорости 13,26... 15,48 м/с происходит плавное снижение массы витающих частиц удобрений. При этом среднее значение скорости витания частиц удобрений составило uCflp=9,83 м/с, а коэффициент парусности Кп=0,1.
Рисунок 4.5 - Вариационная кривая парусности твердых органических удобрений Таким образом, полученный коэффициент парусности твердых органических удобрений необходимо использовать при определении их дальности бросания роторным разбрасывателем с шарнирно-сочлененными лопатками.
Экспериментальные исследования качественных показателей разбрасывателя удобрений предусматривали определение неравномерности распределения удобрений по ширине и ходу движения агрегата. Скорость движения агрегата составляла 2,5 км/ч.
Для определения влияния частоты вращения роторов на неравномерность распределения ТОУ агрегат работал в трех режимах (при а 1=26,16 с ; со2=31,4 с 1; со3=36,63 с ). При а 1 =26,16 с1 неравномерность распределения удобрений составила v=60,9% при ширине внесения 32 м (рис. 4.6). Доза внесения ТОУ 46,57 т/га. При перекрытии полос разбрасывания смежными проходами агрегата распределение удобрений по поверхности поля улучшается, и показатель равномерности снижается. Так при перекрытии полос, равном 6 м (рис. 4.7), неравномерность снизилась до v=22,54%, что соответствует агротехническим требованиям. При этом рабочая ширина внесения твердых органических удобрений составила 20 м, а доза внесения удобрений возросла до 55,88 т/га.
