Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние теории процесса внесения удобрений центробежными аппаратами и задачи исследований 7
1.1 Технологии и способы внесения минеральных удобрений 7
1.2 Обзор исследований движения удобрений по лопаткам центробежного аппарата 10
1.3 Обзор исследований распределения удобрений на выходе из аппарата , 14
1.4 Обзор исследований свободного полета удобрений в воздушной среде... 16
1.5 Аналитические исследования закономерностей распределения удобрений по ширине полосы рассева , 18
1.6 Оценка неравномерности внесения минеральных удобрений 23
1.7 Обзор исследований работы центробежных аппаратов на склоновых полях ,...,., 28
1.8 Задачи исследований 36
2. Моделирование процессов распределения минеральных удобрений центробежными аппаратами на склонах 37
2,1. Исследование дальностей полета удобрений в воздушной среде 39
2.2 Моделирование процесса распределения удобрений центробежным аппаратом при выравнивании по склону 50
2.3 Моделирование процесса распределения удобрений плоским горизонтальным центробежным аппаратом при выравнивании по горизонту 60
2.4 Моделирование процесса распределения удобрений коническим центробежным аппаратом при выравнивании по горизонту 65
2.5 Выводы 70
3 Методика экспериментальных исследований 72
3.1 Цели экспериментальных исследований 72
3.2 Описание экспериментальной установки 73
3.3 Оценки качества внесения минерпльных удобрений 75
3.4 Методика исследования свойств минеральных удобрений 77
3.5 Методика проведения опытов по исследованию угла выброса удобрений 82
3.6 Программы опытов 87
3.7 Обработка результатов экспериментов 89
4 Результаты экспериментальных исследований 95
4.1.Результаты исследований свойств минеральных удобрений 95
4.2.Резугьтаты многофакторного эксперимента по исследованию угла выброса удобрений 96
4.3. Оптимизация числовых характеристик угла бросания методом моделирования 105
4.4.Выводы 113
5 Методика проектирования процесса внесения минеральных удобрений центробежными аппаратами на склонах и экономическая эффективность разработок 115
5.1 Методика оптимизации параметров процесса рассева удобрении конусным аппаратом на склоне 115
5.2 Технико ~ экономическая эффективность рекомендаций 118
Общие выводы 126
Литература
- Технологии и способы внесения минеральных удобрений
- Обзор исследований распределения удобрений на выходе из аппарата
- Моделирование процесса распределения удобрений центробежным аппаратом при выравнивании по склону
- Методика исследования свойств минеральных удобрений
Введение к работе
Территория Республики Ингушетия относится к шестой зоне механизации по классификации разработчиков системы машине /.. Подзона 6] включает степные районы, подзона 62 - предгорные районы республики//^/*.
Подзона 6] по климатическим и почвенным условиям благоприятна для ведения растениеводства. В этой зоне применяют сельскохозяйственные машины и трактора общего назначения. Подзона занимает очень малую часть территории республики,
В предгорной зоне, подзона 62, поля имеют изрезанный рельеф, встречаются балки и овраги, которые пересекают поля. Встречаются участки полей, засоренные камнями. Средняя длина гонов 400...600 м. Основные процессы механизированного земледелия выполняются сельскохозяйственными машинами и тракторами общего назначения с приспособлениями для работы на склонах; противоэрозионными, водо-задерживающими и др.
Значительную часть территории Республики Ингушетия занимают горы. В горах расположены пастбища и поля для выращивания сельсеохозяйственных культур. По условиям механизации горная территория относится к одиннадцатому сектору. Возделывание и уборка сельскохозяйственных культур на склонах выполняется специализированными техническими средствами. Система машин для работы на склонах предусматривает применение террасеров, плугов для гребнисто-ступенчатой вспашки, плугов для поделки лунок или прерывистых борозд, щелевателей-кротователей, рыхлителей противоэрозионных, приспособлений для вождения тракторов по горизонталям. Системой машин предусмотрен выпуск колесных и гусеничных крутосклонных и горных тракторов. Сеялки, культиваторы, машины для внесения удобрений, уборочные машины должны разрабатываться с учетом особенностей работы на склонах. К сожалению, наличие таких машин в республике минимально.
При выращивании сельскохозяйственных культур из почвы выносятся основные элементы питания растений. Если не вносить в почву хотя бы те элементы питания растений, которые выносятся с урожаем, плодородие почвы снижается и нельзя рассчитывать на получение стабильных урожаев. Интенсивные обработки почвы на
паровых полях и на полях под пропашными культурами приводят к интенсивной минерализации гумуса. Если органические удобрения не вносят, то почва теряет структуру, распыляется, уменьшаются её влагоемкость и воздухопроницаемость, то есть теряется плодородие.
Проблема внесения минеральных удобрений на склонах недостаточно разработана. В литературе есть утверждения о невозможности равномерного распределения удобрений на склоне с помощью горизонтальных центробежных аппаратов. Крутосклонные трактора имеют системы выравнивания остова трактора и навесной машины по уровню горизонта и не имеют систем выравнивания машин по линии склона. Работы, на основании которых сделаны такие выводы, экспериментальные с ограниченным числом опытов. Основательные ответы на эти вопросы можно получить только аналитическими исследованиями и численным моделированием множества вариантов. Эмпирическим путем эти задачи решить невозможно.
Таким образом, разработка вопросов теории и практики внесения минеральных удобрений на склонах весьма актуальна для условий Республики Ингушетия.
Цель исследования - повышение равномерности внесения минеральных удобрений центробежными аппаратами на склонах путем обоснования параметров процесса методом математического моделирования.
Объект исследования - процесс распределения твердых минеральных удобрений центробежными аппаратами на склонах.
Предмет исследования - закономерности распределения удобрений центробежным аппаратом на склоне при выравнивании аппарата по склону и по горизонту.
Научная новизна - состоит в применении, для обоснования и оптимизации параметров процесса распределения удобрений, вероятностных математических моделей со встроенными блоками эмпирических законов распределения случайных величин.
На защиту выносятся:
результаты исследований дальности полета частиц удобрений на поперечном склоне при выравнивании аппарата по склону и по горизонту;
математическая модель процесса распределения минеральных удобрений на склоне при выравнивании аппарата по склону;
математическая модель процесса распределения удобрений на склоне при выравнивании аппарата по горизонту;
эмпирические зависимости числовых характеристик угла бросания от координат зоны подачи и угла поперечного наклона аппарата;
методика оптимизационного моделирования и обоснования параметров процесса распределения удобрений на склоне.
оптимальные значения числовых характеристик угла бросания относительно линии движения при работе аппарата на поперечном склоне и выравнивании аппарата по горизонту.
Технологии и способы внесения минеральных удобрений
Технологии внесения удобрений определяют необходимый набор и последовательность выполнения машинами технологических процессов. Наиболее распространены четыре технологии: прямоточная — удобрения на складе загружают в разбрасыватель, который вывозит их в поле и вносит в почву. Технология экономически эффективна при небольшом расстоянии перевозки удобрений, которое для разбрасывателей грузоподъемностью 4, 8 и 16 т не должно превышать соответственно 1, 3 и 4 км; перегрузочная — удобрения из хранилища загружают в транспортировщики-перегрузчики, вывозят в поле, перегружают в полевой разбрасыватель и вносят в почву. Технология эффективна при перевозке удобрений на расстояние до 10 км; перевалочная — удобрения (ЖКУ, аммиак) со склада вывозят транспортными машинами в поле и выгружают в кучи или передвижные емкости. В установленные агротехнические сроки удобрения из куч загружают в разбрасыватель и вносят в почву; двухфазная — твердые органические удобрения (навоз) вывозят в поле и укладывают в кучи, расположенные рядами. Удобрения из куч рассе-вают по полю валкователем - разбрасывателем.
При рассеве удобрений разбрасыватели регулируют на равномерность и заданную дозу внесения. Доза внесения -— это количество удобрений, запланированное для распределения на площади 1 га. В зависимости от вида и состояния удобрений единицы измерения дозы следующие: кг/га, т/га, л/га. Дозу внесения устанавливает агроном. Она может быть оптимальной, рассчитанной на максимальное использование потенциала возделываемых растений, или умеренной, вызванной недостатком удобрений. Равномерность рассева устанавливается агротехническими требованиями, разрабатываемыми на основе исследований /4/.
Способы внесения удобрений определяет агротехника, В зависимости от времени внесения различают предпосевной, припосевнои и послепосевной (подкормка) способы.
Предпосевной способ, называемый основным, сплошным или разбросным, применяют для внесения основной массы туков, всех мелиорантов и органических удобрений. При сплошном способе удобрения, равномерно рассеянные по полю, во время вспашки или предпосевной культивации заделывают в почву на глубину 10...20 см. Удобрения, размещенные в зоне наиболее развитой корневой системы, доступны для растений в течение вегетационного периода.
При недостатке удобрений эффективными являются внутрипочвенное внесение туков, размещение их лентами, строчками, гнездами во влагообеспе-ченном слое почвы /3/. При этом снижается расход удобрений, уменьшается их вынос со сточными водами, облегчается управление развитием растений. Хорошо отзываются на локализацию удобрений яровые зерновые культуры II/. При высоких дозах NPK прибавки от локализации удобрений не обнаружено 121.
Проходит испытания технология дифференцированного внесения удобрений /5/, при которой полевая машина по команде компьютера вносит различные дозы удобрений с учетом пестроты плодородия поля и реальной потребности почвы в пределах элементарных координатных площадок в том или ином элементе питания.
Припосевное внесение выполняют одновременно с посевом. Удобрения вносят сеялками в почву вместе с семенами или вблизи от них.
Подкормка растений удобрениями происходит одновременно с культивацией междурядий. Культуры сплошного посева, например зерновые колосовые, подкармливают при помощи наземных агрегатов, для перемещения которых при посеве оставляют технологическую колею. Когда работа наземных машин затруднена из-за повышенной влажности почвы, то, чтобы уложиться в оптимальные агротехнические сроки, целесообразно применять самолеты, вертолеты и легкие летательные аппараты.
Агротехнические требования. Слежавшиеся удобрения перед использованием необходимо измельчить и просеять. Размер частиц после измельчения должен быть не более 5 мм. Содержание частиц размером менее 1 мм допускается не более 6%. В процессе растаривания потери удобрений с бумажной мешкотарой не должны превышать 1 %, а с полиэтиленовой - 0,5 %. Содержание лоскутов мешкотары в измельченных удобрениях не должно превышать 3% массы бумажных и 0,7% массы полиэтиленовых мешков.
При смешивании удобрений влажность исходных компонентов не должна отличаться от стандартной более чем на 25 %. Отклонение от заданного соотношения питательных элементов в тукосмеси допускается не более ±10%.
При сплошном внесении минеральных удобрений отклонение фактической дозы от заданной допускается не более ±5 %, неравномерность распределения удобрений по ширине захвата при внесении оптимальных доз — не более ±15%, а при внесении умеренных доз — до ±25 %. Необработанные поворотные полосы и пропуски между соседними проходами агрегата не допускаются. Время между внесением удобрений и их заделкой не должно превышать 12ч.
При подкормке удобрения должны быть заделаны в почву на 2...3 см глубже и на 3...4 см в стороне от рядка семян. Допустимое отклонение фактической дозы внесения удобрений комбинированными сеялками от заданной должно быть не более ±10%.
Обзор исследований распределения удобрений на выходе из аппарата
Первые сведения о распределении удобрений на выходе из аппарата приведены в работах Б.А.Кушилкина /21/.Он считал, что характеры распределения удобрений на выходе из аппарата и по ширине идентичны.
Многие исследователи стремились повысить равномерность распределения удобрений применением разновеликих лопаток или имеющих различный наклон к радиусам /22,23,24,25/. Однако, предположение Б.А.Кушилкина об идентичности характеров распределения удобрений на выходе из аппарата и по ширине полосы рассева оказалось далеким от истины и те, кто пользовался этим предположением, не добились хороших результатов.
В работе В.А.Скользаева и В.А.Черноволова предложено распределение на выходе из аппарата оценивать распределительной производитльно-стью да, которая является произведением общей подачи на аппарат Q и плотности вероятностей угла метания /26/. Рассмотрение угла метания как случайной величины с известным законом распределения - это начало построения вероятностных моделей функционирования центробежных аппаратов.
Одновременно с этой работой выполнялись исследования Ю.И.Якимова /27,28,29/, которые отличаются методикой эксперимента и обработкой опытных данных.
В.А.Скользаев и В.А.Черноволов /26/ получили уравнение распределённой производительности идеального аппарата qa=0.5Qcosat (1.8) и установили, что среднеквадратическое отклонение угла метания у реального однодискового аппарата должно быть равно 0,8 рад.
В статье М.Г. Догановского, Е.В.Козловского и В.В.Рядных /13/ подробно рассмотрен вопрос о форме траектории перемещения точки подачи для получения схода частиц в одном и том же месте. Этому же вопросу уделяли внимание И.В.Морин /30/, В.А.Черноволов /31,32,33/. Позднее А.П.Карабаницкий и Ю.И.Якимов изучали его графо-аналитическим методом /34/, они же провели работы по внедрению в производство полученных результатов.
Сосредоточенная нецентральная подача удобрений на разбрасывающий диск дает распределение удобрений по углу рассева близкое к нормальному. Рассредоточением подачи по периферии диска можно получить любое распределение по углу. В работах Ю.И.Якимова и А.П.Карабаницкого / 34 / выполнено графоаналитическое моделирование плотности распределения удобрений на выходе из аппарата. В.А.Черноволов /35/ теоретически рассмотрел вопрос о моделировании плотности угла рассева как функции двух случайных аргументов, являющихся координатами зоны подачи.. Однако, этим не исчерпывается многообразие процессов, происходящих при работе аппарата. Удары лопатки о струю подаваемых удобрений, происходящие при этом изменения характеристик зоны подачи, деформации сыпучего тела при движении его по лопаткам теоретически не рассмотрены. Пока единственным надежным способом исследования характеристик: угла метания является эмпирический метод.
Приборы и методики исследования характеристик угла метания разработаны В.А.Черноволовым /36,37,38/, В.П.Забродиным /39/, Ю.И.Якимовым /27,28,29/и др
Важнейшим условием эффективности процесса распределения удобрений по полю является стабильность характеристик угла метания. Повышения стабильности характеристик угла метания при изменении условий функционирования машины можно добиться следующими способами: при проектировании машины её параметры можно выбрать по критериям наименьшей чувствительности к изменению колебаний подачи, свойств удобрений /40,41,42/, наклонов машины и прочих возмущений; применением систем ре гулирования и стабилизации угла рассева /45,46,47/, применением дополнительных распределяющих систем / 43/, в виде маятниковых дозаторов или распределителей; последовательным соединением двух встречно-вращающихся аппаратов /44/ (рис. 1.2).
Моделирование процесса распределения удобрений центробежным аппаратом при выравнивании по склону
Моделированием траекторий полета частиц, выброшенных из аппарата при его выравнивании по уклону поля, доказана некоррелированность распределений дальностей с углом бросания относительно направления движения. Поэтому применим модель процесса распределения удобрений горизонтальным аппаратом /63/, построенную при следующих исходных допущениях и условиях: распределение удобрений на выходе из аппарата задано функцией плотности угла бросания f(a); средние скорости метания частиц и средние коэффициенты парусности некоррелированы с углом бросания а; дальность метания частиц р является случайной величиной с известной функцией плотности вероятностей f(p); диаметр диска по сравнению с размерами зоны рассева считается малой величиной.
Площадь, засеваемую аппаратом при отсутствии перемещения машины, т.е. при VM = 0, называем зоной рассева. При выполнении перечисленных ранее условий линии равной интенсивности в зоне рассева имеют почковидную форму. Аппарат находится в начале координат и выбрасывает удобрения в радиальных направлениях (см. рис: 1.3). . Угол а .отсчитываем от линии движения машины.
Вероятность попадания удобрений на площадку dF определим как вероятность совмещения двух событий: попадания значения угла бросания в интервал da и попадания дальности в интервал dp. Так как дальность метания некоррелирована с углом а, то элемент вероятности dp определим по формуле умножения вероятностей.
Интенсивностью засева площадки называем предел отношения расхода удобрений dQ, приходящегося на площадку, к ее площади dF, при dF —» 0. Расход dQ определяется умножением общего расхода Q на элемент вероятности dP. Тогда, учитывая, что dF = р dp da,nofly4eHa формула (1.15): При движении машины со скоростью VM зона рассева перемещается с такой же скоростью относительно неподвижной площадки dF. В этом случае интенсивность внесения удобрений на площадке будет переменной. Доза внесения qp-на неподвижной площадке dF после прохода разбрасывателя определяется по формуле (1.16) интегрированием h qF= \ldt о где t] - время внесения удобрений на площадке.
Если выполнить замену переменной интегрирования по формуле t = Y/VM, то процесс вычисления дозы становится более наглядным.
Система MATHCAD дает большие возможности для таких вычислений. Применение системы для моделирования процесса распределения удобрений при допущении о нормальном распределении случайных величин р и а показано в приложении А (рис. П.А.2).
В программе интегрирование ведется по длине пути Y, а путь интегрирования разбит на две части. Первый интеграл определяет дозу внесения, полученную после прохода первого квадранта зоны рассева. Если величина среднего квадратического отклонения угла рассева менее 0,6 радиан, то вто рой интеграл дает нулевое значение дозы и его можно исключить из программы. Программа имеет цикл перебора значений координаты X. Диапазон значений можно задавать числом точек п и величиной X при i=0. Вывод результатов счета в виде вектора Q или в виде графика
На графиках (рис. 2.10) по оси ординат отложены дозы при параметрах зоны рассева, указанных в скобках после обозначения дозы.
Расположение зоны рассева относительно линии движения в функции дозы Q задано математическим ожиданием угла а. При Ма=0 (рис.2.10,а) распределение по ширине симметрично относительно продольной оси агрегата, перекрытием смежных проходов можно получить распределение близкое к равномерному. Расстояние между смежными проходами агрегата должно быть около двух математических ожиданий дальности метания.
Поворот зоны рассева относительно линии движения приводит к смещению графика дозы, нарушению его симметричности. Перекрытием смежных проходов можно улучшить распределение только при челночном способе движения, когда происходит перекрытие функции дозы с ее зеркальным изображением, сдвинутым по оси X на величину В расстояния между проходами. На рис.2.10,а это можно получить суммированием ординат функций дозы при Ма равном плюс 0,5рад и минус 0,5рад, или 1рад и -1рад.
На рисунке 2.10,а построены графики дозы при значениях Ма равных -1; 0,5;0; 0,5; 1 радиан. Значения отличные от нуля взяты симметрично относительно линии движения. Это аналогично моделированию двухдискового аппарата. По рисунку видно, что суммирование графиков дозы для Ма = ±\рад дает двухвершинное распределение, а для Ма = ±0.5 рад - одновершинное.
Графики рис.2.10,6 позволяют анализировать влияние среднего квадра-тического отклонения угла рассева. Распределение в центре полосы рассева наиболее равномерно при с а = \рад. С увеличением этого параметра графики дозы становятся двухвершинными и выровнять их перекрытием проходов невозможно, если не применять тройное перекрытие.
Влияние кучности распределения по радиусам, характеризуемой параметром Ор/Мр, показано на рис.2.10,в. Наиболее равномерное распределение в центре полосы рассева получено при ср = Ъм, то есть при отношении Ор /Мр равном 0,3. Это подтверждает вывод исследователей /63,27/ о бесполезности выравнивания гранул по парусности.
Методика исследования свойств минеральных удобрений
Численные значения среднего квадратического отклонения угла бросания по матрице результатов опытов (таблица 4.2) и (рис.4.8 - 4.10) соответствуют требованиям оптимальности для однодискового аппарата. Для двухдискового аппарата значение ста должно быть около 0,5 радиана, то есть менее 30 градусов. По рисункам 4.8 - 4.10 видно, что такие значения можно получить только на верхних уровнях факторов XI,Х2 и ХЗ. Для горного разбрасывателя удобрений однодисковый аппарат предпочтительнее, потому что управление углом бросания у него не вызывает затруднений. На этом основании можно считать, что уравнения 4.1 - 4.12 пригодны для проектирования машин, предназначенных для внесения удобрений на склонах.
В аналитическом исследовании получен хороший результат по равномерности рассева удобрений конусным аппаратом на склоне в 15 градусов при Ма =-0.7 моа =0,5 рад. Этот результат получен методом случайного перебора, хотя существенную роль играла при этом интуиция. Формально процедура оптимизации не применялась, поэтому параметры, полученные при этом исследовании, нельзя считать оптимальными.
Выполним оптимизационное моделирование. Составим двухфакторный ортогональный план второго порядка. Переменными факторами принимаем Маи за. Центром вычислительного эксперимента принимаем точку Ма =-0.7 маа =0,5 . Кодирование переменных факторов выполним в соответствии с таблицей 4.3. В каждом опыте находим оптимальное перекрытие. Минимальную неравномерность, полученную в опыте, запишем в матрицу результатов. Далее получим уравнение регрессии для минимальной неравномерности V8 и найдем значения факторов, обеспечивающих получение минимальной неравномерности.
Минимальное значение неравномерности в таблице 4.4 совпадает с центром вычислительного эксперимента. Исследуем поверхность отклика. Выполним расчет коэффициентов уравнения регрессии V8(Ma,ua) (см. приложение Д, рис.ГТ.Д.1) и его графический анализ (рис.4.13 и 4.14).
Уравнение в размерных факторах имеет вид: V8(Ma,Ga) = 79.18+ 72.9QMa -174.99аа -34.78Маоа + (4,14) + 35.09М -И28.47а Поверхность отклика функции V8 имеет ярко выраженный минимум, который не совпадает с центром эксперимента. В зоне минимума неравномерность менее двух процентов.
Точность аппроксимации оценивалась дисперсией адекватности (рис. П.Д.1) и совпадением графиков, построенных по матрице результатов моделирования (таблица 4.4) и по матрице, рассчитанной по уравнению регрессии в соответствующих точках.
Наилучший результат по равномерности получен при Ма =-0.752 и аа = 0.579рад. Значение функции отклика в этой точке равно 1,099%. Повышение равномерности при оптимизации нельзя считать существенным, так как ранее уже получен отличный результат. Область оптимума определена четко.
4.4.1 Плотность вероятностей скорости витания азотно-фосфорно-калийного удобрения удовлетворительно аппроксимируется законом нормального распределения с числовыми характеристиками Vcp=8,864 м/с; ffv=l.407м/с. Коэффициент парусности kn=0,125 1/м. Угол трения этого удобрения по нержавеющей стали равен 19 градусам.
4.4.2 Симметричный рассев удобрений относительно линии движения однодисковым аппаратом на горизонтальном поле происходит при Ма = 0, что легко достигается продольным смещением х2 туконаправителя, вычисленным по формуле (4.9) и равным -27,37мм. Поперечное смещение туконаправителя при этом не влияет на величину угла бросания.
4.4.3 На склоне характер линий уровней функции Ма меняется, особенно при верхнем уровне фактора Х2. Переход фактора XI с нижнего на верхний уровень приводит к уменьшению Ма на 25 градусов при р = -8 и на 50 градусов при р = +8 .
4.4.4 При работе конусного диска с вертикальной осью вращения на склоне с углом 15 требуется поворот сектора рассева на 40 градусов в сторону склона. После разворота на краю поля сектор рассева надо повернуть в другую сторону. Общий поворот сектора должен быть от -40 до +40, что соответствует изменению координата х2 на модели от 10 до 45мм. Для диска радиусом 300мм это смещение должно быть- 19. ..85мм.
