Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Народнохозяйственное значение производства картофеля 8
1.1.1. Факторы, определяющие объёмы производства и потребления картофеля в РФ 10
1.1.2. Почвенно-климатические ресурсы зоны возделывания картофеля и особенности формирования урожая в зоне Южного Урала 18
1.2. Технологии и технические средства возделывания картофеля 24
1.2.1. Анализ структуры технологии возделывания картофеля 25
1.2.2. Агротехнические требования и способы предпосадочной обработки почвы под картофель 31
1.3. Методы и способы совершенствования технологии и технических средств для предпосадочной обработки почвы под картофель 40
1.4. Основные выводы, постановка цели и задач исследования 46
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование конструктивных параметров бесприводного ротационного рабочего органа
2.1. Обоснование кинематического режима и конструктивных параметров бесприводного ротационного рабочего органа 48
2.1.1. Кинематический режим работы ротационного рабочего органа 48
2.1.2. Обоснование конструктивных параметров бесприводного ротационного рабочего органа 53
2.2. Силы сопротивления почвы, действующие на палец бесприводного ротационного рабочего органа 60
2.3. Тяговое сопротивление бесприводного ротационного рабочего органа 65
2.4. Основные выводы по главе 67
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментальных исследований
3.1. Общая методика и программа исследования 68
3.2. Методика определения качественных показателей работы бесприводного ротационного рабочего органа 70
3.3. Методика проведения полевых экспериментов 76
3.4. Методика проведения эксперимента для получения энергетических показателей работы бесприводных ротационных рабочих органов 78
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований
4.1. Условия проведения полевых экспериментов 81
4.2. Результаты многофакторного эксперимента 82
4.3. Результаты эксперимента по определению энергетических показателей работы КМПО-2,8 и бесприводных ротационных рабочих органов 89
4.4. Результаты эксперимента по определению влияния способов предпосадочной обработки почвы на урожайность и качество уборки картофеля 91
4.5. Выводы по главе 93
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность результатов исследований и внедрения бесприводных ротационных рабочих органов на предпосадочной обработке почвы под картофель
5.1. Методика расчёта экономической эффективности 95
5.2. Энергетическая эффективность применения КМПО-2,8 101
Общие выводы 104
Список литературы 106
- Факторы, определяющие объёмы производства и потребления картофеля в РФ
- Кинематический режим работы ротационного рабочего органа
- Методика определения качественных показателей работы бесприводного ротационного рабочего органа
- Результаты многофакторного эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Картофель имеет большое значение в обеспечении продовольственной безопасности Российской Федерации. Урожайность этой культуры в Челябинской области за последние годы в редких случаях превышает 130 ц/га, причём более 90 % валового сбора приходится на личные подсобные хозяйства населения.
Из анализа динамики производства и потребления картофеля в Челябинской области установлено, что в последние годы имеет место тенденция роста как производства так и потребления картофеля на душу населения. Однако потребление картофеля населением за последние пять лет выросло почти на 24 %, а его производство - только на 3,2 %. Качество получаемого урожая остаётся низким - по данным Федеральной службы государственной статистики РФ, на сегодняшний день только 38% от валового урожая картофеля может употребляться в пищу без дополнительной доработки (переработки). Такая ситуация содействует повышению дефицита продовольственного картофеля на рынке и как следствие увеличению потребительских цен на данный продукт.
Очевидно, что наиболее целесообразным и эффективным инструментом снижения дефицита продовольственного картофеля на рынке может быть только увеличение собственных объёмов производства картофеля высокого качества. Большое значение в увеличении урожайности качественного картофеля имеет повышение качества подготовки почвы под посадку.
Наиболее широко распространённые технологии производства картофеля в Челябинской области предусматривают применение на предпосадочной обработке почвы различных машин с рабочими органами пассивного и активного действия. Машины с активными рабочими органами (фрезы) целесообразно применять только на тяжёлых по механическому составу почвах, т.к. их использование на средних и лёгких почвах (наиболее благоприятных для картофеля) приводит к излишнему их распылению и явлению ветровой
б эрозии. Применяемые же на средних и лёгких по механическому составу почвах агрегаты с пассивными рабочими органами не позволяют получить необходимое качество обработанного слоя почвы. При обработке почвы пассивными рабочими органами наблюдается явление неравномерности фракционного состава и плотности обработанного слоя как по ширине захвата агрегата, так и по глубине обработки. Неравномерность фракционного состава подготовленного под посадку картофеля слоя почвы приводит к неравномерной раскладке клубней при посадке как в вертикальной так и в горизонтальной плоскостях, что в свою очередь приводит к снижению урожайности и повышению доли почвенных примесей в бункере комбайна. Это можно объяснить тем, что при передвижении машинно-тракторного агрегата по полю происходит уплотнение почвы по следу движителей трактора.
В сложившихся условиях повысить качество предпосадочной обработки почвы можно достичь за счёт дополнительного измельчения почвы по следу движителей трактора.
Работа выполнена в соответствии с разделом федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.».
Целью исследования является повышение качества предпосадочной обработки почвы под картофель на средних и лёгких по механическому составу почвах путём разработки и обоснования параметров дополнительного рабочего органа для измельчения почвы по следу движителей трактора.
Объектом исследования является технологический процесс предпосадочной обработки почвы бесприводным ротационным рабочим органом.
Предметом исследования являются взаимосвязи параметров и режимов работы бесприводного ротационного рабочего органа с качественными показателями обработки почвы.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
Дано аналитическое описание взаимосвязи качественных показателей обработки почвы с конструктивными параметрами и режимами работы бесприводного ротационного рабочего органа с наклонными осями вращения секций.
Раскрыты взаимосвязи энергетических показателей работы ротационного рабочего органа с его конструктивными параметрами и режимами работы.
Обоснованы рациональные конструктивно-кинематические параметры бесприводного ротационного рабочего органа с наклонными осями вращения секций и режимы его работы.
Практическая ценность работы и реализация её результатов.
Исследование работы изготовленных макетных образцов бесприводных ротационных рабочих органов показало, что при определённых конструктивных и режимных параметрах достигается агротехнически требуемая равномерность фракционного состава обработанного слоя почвы (не менее 85%). Это повышает качество посадочных и уборочных операций при производстве картофеля, а также его урожайность.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных международных научно-технических конференциях ЧГАУ (2004-2009 гг.) и научно-практической конференции Казахского национального аграрного университета в г. Алматы (2008 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 научных работ, а также получено положительное решение на выдачу патента РФ на полезную модель «Следорыхлитель» (положительное решение от 23.12.2008 г. по заявке №2008145729 от 19.11.2008 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 52 рисунка, состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, 6 приложений. Список использованной литературы включает в себя 119 наименований.
Факторы, определяющие объёмы производства и потребления картофеля в РФ
Решение задачи получения максимальной урожайности сельскохозяйственных культур высокого качества при минимальных затратах на их производство возможно только при рациональном использовании ограниченных ресурсов, совершенствовании технологий возделывания в целом, отдельных технологических операций и процессов в частности, а также при наличии современных высокопроизводительных технических средств, полностью соответствующих агротехническим требованиям, с целью достижения максимально возможного уровня механизации.
Высокая техническая оснащённость растениеводства ряда западных стран позволила довести уровень механизации производства основных сельскохозяйственных культур практически до 100 % (рисунок 1.2) [88, 97]. Низкая техническая оснащённость, высокая стоимость машин и агрегатов, а также недостаточное предложение качественной высокопроизводительной сельскохозяйственной техники на рынке стали причиной замедления повышения уровня механизации в Российской Федерации (рисунок 1.3) [97], а в некоторых случаях и его снижения по сравнению со второй половиной прошлого столетия. Из рисунков 1.2 и 1.3 видно, что уровень механизации производства зерновых, кормовых и масленичных культур в развитых западных странах и в РФ примерно находится на одном уровне, однако при производстве овощей и картофеля в нашей стране применение ручного труда значительно выше, чем на Западе. Анализ структуры затрат труда при возделывании овощных культур и картофеля в нашей стране показывает, что пик этих затрат приходится на уборку и послеуборочную обработку урожая. Причиной сложившейся ситуации послужило множество факторов, наиболее значимыми из которых являются: - отсутствие или недостаток у сельхозтоваропроизводителей современных почвообрабатывающих и уборочных агрегатов, линий для послеуборочной обработки картофеля, позволяющих довести урожай до необходимой качественной кондиции при укладке на хранение; - в большинстве случаев невозможность применения при уборке комбайнов из-за низкого качества подготовки почвы под посадку (корнеклубнеплоды), следствием чего является большой процент почвенных комков и глыб в бункере комбайна (до 65%) и повышенная нагрузка на рабочие органы уборочных агрегатов. Наиболее трудоёмкой операцией является уборка картофеля. Это обусловлено спецификой произрастания данной культуры, несовершенством технологий и конструктивно-технологических параметров агрегатов, применяемых для возделывания картофеля (таблица 1.1.). В мировом сельскохозяйственном производстве под картофель отводится более 2 млн га посевных площадей. Мировой опыт свидетельствует об укрупнении предприятий, занимающихся производством данной культуры. В США фермы, возделывающие картофель на площадях около 100 га, произво 13 дят свыше 70% валового сбора в стране. Причём урожайность в этих хозяйствах достигает, а в ряде случаев превышает 360 ц/га. В России за последние годы посевные площади под картофелем стали сокращаться (таблица 1.2, рисунок 1.4) в основном за счёт сокращения площадей в хозяйствах населения, которые составляют около 93 % от общей площади, отводимой под картофель (рисунок 1.5). При этом крупные сельскохозяйственные производители не стремятся увеличивать площади под картофель. Это объясняется слабой технической оснащенностью, высокими ценами на технику, гербициды, удобрения, ГСМ, а также отсутствием качественного посадочного материала и другими факторами. Но несмотря на спады в отдельные годы, картофелеводство продолжает развиваться. На фоне сокращения посадочных площадей наблюдается увеличение урожайности картофеля во всех категориях хозяйств (таблица 1.2, рисунок 1.5). При снижении площадей рост урожайности в основном обусловлен более эффективным использованием посевных площадей, совершенствованием технологий возделывания картофеля и овощей, а также лучшим качеством посевного материала.
Кинематический режим работы ротационного рабочего органа
Непрерывное совершенствование техники и технологии, систематическое обобщение передового опыта и научных достижений способствуют повышению уровня механизации возделывания и уборки картофеля. По проблемам механизации возделывания и уборки картофеля известны работы П.М.Василенко [16, 17], С.А.Герасимова [27, 28], В.П. Горячкина [30], А.П.Дорохова [38], М.И. Кана [50], К.А.Пшеченкова [91], Г.И. Филипповой [114] и других.
. В разные годы проблемами возделывания картофеля в Уральском регионе занимались В.И.Виноградов, О.В. Гордеев, А.П.Дорохов, Б.Л.Охотников, Н.А. Печерцев [85], Л.А.Феоктистова [113] и др. Проведенные ими полевые опыты позволили получить обширный научный материал, на основе которого разрабатывались направления совершенствования технологии возделывания и уборки картофеля. Основными направлениями современных научных исследований являются разработка энергосберегающей адаптивной технологии возделывания картофеля в зависимости от почвенно-климатических условий; применение эффективных приемов борьбы с сорняками; сохранение и воспроизводство плодородия почв и др.
Совершенствование и улучшение системы технологических процессов предпосадочной обработки почвы под картофель при максимальном и высокопроизводительном использовании технических средств и орудий являются главными задачами при внедрении энергосберегающих технологий. Необходимо добиться замены ручного труда механизированным на наиболее димо добиться замены ручного труда механизированным на наиболее трудоемком процессе возделывания этой культуры - уборке (рисунок 1.14).
В связи с повышенными требованиями к качеству убранного картофеля возрастают требования к обработке почвы, ее структуре и предотвращению образования комков. Последнее при обработке почвы, является одной из основных задач подготовки почвы под посадку картофеля [45,71,96,111].
По экономическим и экологическим причинам качественную обработку почвы следует достигать с меньшей интенсивностью и меньшим количеством рабочих операций с целью уменьшения пагубного влияния движителей МТА на почву.
За все время существования проблемы, связанной с негативным воздействием ходовых систем машин на почву, было предложено множество вариантов ее решения, но по различным причинам ни один из них не нашел широкого применения, а в ряде случаев не вышел за рамки опытов.
Внедрение научнообоснованной агротехнической системы минимальной обработки почвы способствует росту урожайности сельскохозяйственных культур, уменьшению энергетических и трудовых затрат. Система минимальной обработки почвы развивается в трёх направлениях: замена традиционной глубокой обработки почвы поверхностной; частичная или полная замена некоторых видов механической обработки внесением гербицидов; совмещение нескольких технологических операций в один процесс [53].
Замена традиционной глубокой обработки почвы поверхностной целесообразна при возделывании зерновых культур, но не является эффективной при выращивании картофеля. Так как он является культурой рыхлых почв, а основная часть урожая формируется на глубине 15.. .20 см.
Автор данной работы считает, что наиболее приемлемым является метод совмещения нескольких технологических операций при обработке почвы. Совмещение нескольких операций, наряду со значительной экономией средств (на ГСМ, ремонт МТА, оплату труда), позволяет в несколько раз уменьшить количество проходов агрегатов по полю.
Несмотря на то, что в настоящее время имеется достаточно большое количество работ, посвященных вопросам применения комбинированных агрегатов, в них внимание сосредоточено в основном на технических характеристиках указанных агрегатов или на экономических результатах их использования [3, 15,24,60].
Исходя из всего вышеизложенного можно утверждать, что воздействию комбинированных агрегатов на почву, как на экологическую систему следует уделять больше внимания. Необходимо обосновать наиболее рациональную, с точки зрения качества обработки почвы и экологичности, компоновку комбинированного почвообрабатывающего агрегата и рациональные характеристики составляющих его рабочих органов. Создание технических средств для совмещения технологических операций ведется несколькими путями. Самый простой путь - последовательное соединение нескольких однооперационных специализированных машин (орудий) в один агрегат. Комбинированные агрегаты составляются с помощью специальных приспособлений, из нескольких серийных машин (орудий) в последовательности, соответствующей технологическому процессу. При необходимости каждая машина (орудие), входящая в комбинированный агрегат, используется как самостоятельная.
Другой путь - размещение на одной раме набора рабочих органов для выполнения нескольких технологических операций за один проход, то есть создание комбинированной машины. При производстве зерновых культур в РФ на подготовке почвы под посев повсеместно используются широкозахватные комбинированные агрегаты, высококачественно подготавливающие необходимый слой почвы (до 12 см) за один проход МТА. Однако применение таких агрегатов на предпосадочной обработке почвы под картофель является неэффективным, так как не обеспечивается качественная обработка пласта почвы на всю агротехнически предусмотренную глубину (до 25 см). При этом, комбинированных агрегатов, способных обрабатывать почву на данную глубину и достичь равномерности фракционного состава почвы как по глубине, так и по ширине захвата орудия, насчитываются единицы.
Методика определения качественных показателей работы бесприводного ротационного рабочего органа
Таким образом, в качестве варьируемых параметров в многофакторном эксперименте были выбраны: скорость движения агрегата, угол наклона оси вращения барабанов ротационного рабочего органа и глубина обработки почвы. Целевой функцией выбрана зависимость показателя однородности фракционного состава обработанного слоя почвы W(%), от варьируемых параметров (3.5).
Поскольку клубни картофеля при посадке размещаются на глубине до 10 см, а в ходе вегетации основная масса корней располагается на глубине около 25 см, то интервал варьирования глубины был принят равным 15-25 см.Скорость движения агрегата по полю с учетом эргономических и технологических ограничений принята в пределах 1,2...2,0 м/с.
Для получения пересечения траекторий смежных пальцев, а также достижения необходимой ширины захвата ротационного рабочего органа угол а должен быть не менее 20 и не более 30. Таким образом, параметр а был принят в пределах 20...30. Данные принятых факторов и их интервалы варьирования сведены в таблицу 3.1.
Выбранные факторы удовлетворяют требованиям предъявляемым при проведении многофакторного эксперимента: они управляемы, легко установить их требуемое значение в определённой размерности и они не являются функциями других факторов (однозначны). Имеем следующую задачу:
В качестве плана эксперимента был выбран план для трёх факторов Бокса-Бенкина, матрица планирования которого представлена в таблице 3.2. Выбор данного плана связан с тем, что его матрица содержит минимальное количество опытов. Однако такое малое количество экспериментов не влияет на получение точной информации об объекте исследований.
При трёх факторах план предполагает проведение пятнадцати опытов, в том числе трёх в центре эксперимента. После проведения всех опытов на основе обработки результатов эксперимента проводится математическая обработка этих результатов и получают уравнение регрессии, наиболее полно описывающее исследуемый процесс.
Полевые эксперименты по выявлению влияния на урожайность картофеля различных способов обработки почвы проводились в ОАО ПЗ «Россия» Сосновского района Челябинской области, на опытном поле и производственных посадках картофеля сорта "Невский" в период с 2004 по 2007 годы.
Условия экспериментальных исследований определялись согласно ГОСТ 20915-75 "Техника сельскохозяйственная. Методы определения условий испытаний" [34].
Почва участков, на которых проводились эксперименты, представляют собой дерново-подзолистую, средне-суглинистого механического состава, среднекомковатой структуры.
Предпосадочная обработка почвы проводилась на опытном поле и поле, подготавливаемом для производственных посадок картофеля. В качестве сравниваемых агрегатов использовались фрезерные культиваторы КВФ-2,1 и ГО-1,4, культиватор КПС-4, Б ДМ 4x4 и комбинированный агрегат КМПО-2,8. Обработка почвы проводилась на глубину 14...25 см.
В вариантах с использованием ГО-1,4 предусматривалось одновременная предварительная нарезка гряд, что минимально сокращает разрыв во времени между обработкой почвы и посадкой картофеля. Разрыв времени между предпосадочной обработкой почвы и посадкой не превышал двух часов [4].
После обработки производились все необходимые замеры (фракционный состав, плотность почвы, равномерность выше изложенных параметров по ширине захвата орудия, а также равномерность глубины обработки). При проведении эксперимента по эксплуатационно-технологической оценке работы агрегата КМПО-2,8 обработка почвы проводилась на участке, предназначенном для производственных посадок картофеля. Посадка клубней картофеля осуществлялась картофелесажалкой КСМ-6, переоборудованной для посадки в гряды с шириной междурядий 1,4 м. На участках высаживался картофель сорта «Невский». Уход за посадками картофеля и начало уборки урожая проводились в соответствии с общими требованиями технологии к полевым работам по возделыванию картофеля, одновременно на всех участках.
Учет урожая проводился сплошным методом. Урожай на каждом участке собирался в отдельные контейнеры. Затем урожай с каждой делянки грузился в транспортное средство, вывозился с поля и взвешивался.
Результаты многофакторного эксперимента
Обзор существующих технологий и технических средств для предпосадочной обработки лёгких и средних по механическому составу почв под картофель показал, что при любом способе обработки почвы возникает явление неравномерности фракционного состава обработанного слоя почвы, за счёт чрезмерного её уплотнения движителями трактора. В результате по следу движителей трактора образуются почвенные агрегаты, не удовлетворяющие агротехническим требованиям (диаметром более 25 мм), что обуславливает снижение урожайности, а также качественных показателей посадочных и уборочных процессов.
На основе анализа существующих рабочих органов для дополнительного крошения почвы по следу движителей трактора и программного моделирования процесса функционирования бесприводного ротационного рабочего органа с наклонными осями вращения секций, с учётом агротехнических требований, разработана его конструктивно-технологическая схема.
Теоретические исследования функционирования бесприводного ротационного рабочего органа с предложенной конструктивно-технологической схемой позволили установить: - параметрические уравнения движения исполнительных элементов рабочего органа (пальцев), позволяющие исследовать технологичность функционирования экспериментального рабочего органа при его различных конструктивных параметрах и режимах работы; - аналитические зависимости, позволяющие производить расчёт основных конструктивных параметров бесприводного ротационного рабочего органа. В результате математической обработки полученных зависимостей было определено: количество пальцев одной секции должно быть не менее 12, минимальный угол наклона оси вращения секции должен быть более 20 град., радиус секции - не менее 50 см, диаметра пальца - более 18 мм; - теоретические зависимости, позволяющие раскрыть взаимосвязь конструктивных параметров рабочего органа и физико-механических свойств обрабатываемой среды с энергетическими показателями его работы на предпосадочной обработке почвы. 4. Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее закономерности изменения качественных показателей предпосадочной обработки почвы от конструктивных параметров и режимов работы бесприводного ротационного рабочего органа, позволило обосновать его рациональные параметры, при которых достигается агротехнически требуемое качество обработанного слоя почвы. 5. Установлено, что диапазоны значений угла установки секций и глубины обработки, при которых равномерность фракционного состава слоя почвы находится в агротехнических пределах W 85%, находятся в следующих пределах a = 22...31 градусов и a = 0,17...0,26 метра. Кроме того, с увеличением рабочей скорости агрегата наблюдается рост равномерности фракционного состава обработанного слоя почвы, на основании этого установлено, что агротехнически качественная обработка достигается при V 1,8 м/с. 6. Обработка почвы орудием с экспериментальными рабочими органами позволяет повысить равномерность раскладки клубней в борозде при посадке, что приводит к повышению урожайности на 20%, значительному сокращению доли почвенных агрегатов в бункере комбайна при уборке (до 35%), повышению производительности уборочных процессов и снижению затрат труда. 7. Производственные испытания орудия с экспериментальными рабочими органами показали технико-экономическую эффективность его применения: - энергозатраты снизились более чем на 50 %; - выход полезной энергии с урожаем повысился на 19% по сравнению с существующими орудиями. - годовой экономический эффект составил около 17 000 рублей.
