Рациональные параметры центробежного рабочего органа разбрасывателя для поверхностного внесения минеральных удобрений Седашкина Елена Александровна

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования 9

1.1 Влияние неравномерности внесения удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур 9

1.2 Анализ конструкций машин с центробежными рабочими органами для внесения минеральных удобрений 14

1.3 Обзор и анализ экспериментальных исследований технологического процесса внесения удобрений центробежными дисковыми аппаратами 18

1.4 Обзор и анализ теоретических исследований технологического процесса внесения удобрений центробежными дисковыми аппаратами 23

1.5 Цель и задачи исследования 31

2 Теоретические исследования 33

2.1 К обоснованию формы центробежного рабочего органа 33

2.2 Движение частиц удобрений по конической поверхности рабочего органа 39

2.3 Движение частиц удобрений вдоль лопасти по конической поверхности рабочего органа 44

2.4 Движение частиц удобрений вдоль выбросной лопасти на диске 47

2.5 Дальность полета частиц удобрений, сходящих с центробежного рабочего органа 51

2.6 Обоснование основных конструктивных параметров рабочего органа 59

2.7 Обоснование формы отражающего щитка 63

3 Программа и методика экспериментальных исследований 67

3.1 Задачи экспериментальных исследований 67

3.2 Программа экспериментальных исследований 68

3.3 Методика экспериментальных исследований 68

3.3.1 Лабораторные исследования 68

3.3.2 Лабораторно-полевые исследования 70

3.3.3 Порядок проведения опытов 73

3.3.4 Методика обработки опытных данных 76

3.3.5 Технологическая схема работы экспериментального разбрасывателя в полевых условиях 78

3.3.6 Планирование эксперимента при исследовании технологического процесса внесения удобрений 80

4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 89

4.1 Характеристика исходного материала 89

4.2 Неравномерность распределения удобрений по ширине захвата агрегата 93

4.3 Математические модели технологического процесса распределения удобрений и извести по поверхности поля 95

4.4 Влияние неравномерности внесения удобрений на величину урожая 107

5 Экономическая эффективность от применения экспериментального разбрасывателя минеральных удобрений 109

Общие выводы 114

Литература 115

• Влияние неравномерности внесения удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур
• Движение частиц удобрений по конической поверхности рабочего органа
• Лабораторно-полевые исследования
• Математические модели технологического процесса распределения удобрений и извести по поверхности поля

Введение к работе

. Удовлетворение потребности населения в продуктах питания и промышленности в сырье связано с повышением урожайности сельскохозяйственных культур. Основополагающие критерии современных технологий -сохранение и повышение почвенного плодородия, ресурсосбережение, экономическая безопасность продукции и охрана окружающей среды. Поэтому изучение эффективных энергосберегающих приемов обработки почвы, доз минеральных удобрений и средств защиты растений в конкретно почвенно-климатических условиях - актуальная задача современного земледелия.

Практика показывает, что более 50% прибавки урожая получают за счет внесения удобрений, а известкование кислых и гипсование солонцовых почв, площади которых составляют более 80 млн. га. - наиболее эффективный способ восстановления их плодородия и повышения коэффициента использования удобрений [103]. Продукцию с достаточно высоким качеством можно получить при внесении удобрений в определенном соответствии питательных веществ с учетом конкретных агрохимических и почвенно-климатических условий. По данной агрохимической службы, в настоящее время на территории Республики Мордовия 33,4%) пахотных почв имеют низкую степень обеспеченности фосфором, на которых без внесения фосфорных удобрений нельзя получить удовлетворительный урожай. Почвы республики лучше обеспечены калием, однако 189,3 тыс. га (15,1 %) пашни имеют низкое содержание этого элемента. Высокая кислотность пахотных почв сильно препятствует росту урожайности сельскохозяйственных культур и эффективному использованию удобрений [62].

От характера распределения дозы удобрений по полю зависит средняя урожайность сельскохозяйственных культур. С ростом неравномерности внесения удобрений значительно ухудшается отзывчивость растений на удобрения. Неравномерное внесение удобрений оказывает влияние на свойства урожая (снижает его технологические и биологические достоинства, способ-

ствует накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах), а также приводит к загрязнению окружающей среды.

Как показывает практика, вносят основные дозы минеральных удобрений, как в нашей стране, так и за рубежом, в большей части поверхностно с последующей заделкой их почвообрабатывающими орудиями. Этот способ является наиболее распространенным, и применяют его при внесении больших доз. Для поверхностного внесения удобрений большими дозами в основном используются разбрасыватели различной конструкции и компоновки. В последние время наибольшее применение находят навесные разбрасыватели. Это связано с тем, что за последние годы ситуация с использованием минеральных удобрений в сельскохозяйственном производстве страны резко изменилась, так как цены на них выросли в десятки раз, а использование уменьшилось. Основными дозирующими устройствами навесных разбрасывателей являются дисковые аппараты центробежного типа с вертикальной осью вращения. Эти аппараты просты по устройству, надежны в работе, при правильной настройке машины способны обеспечить удовлетворительное качество поверхностного внесения минеральных удобрений и известковых материалов в почву.

Многочисленными исследованиями [12, 23, 15, 76] установлено, что качество внесения известковых материалов, как и качество внесения минеральных удобрений данными рабочими органами, в большинстве своем не соответствуют агротехническим требованиям. При внесении тукосмесей центробежные дисковые аппараты разделяют смеси на компоненты. При таком распределении их, в одно место почвы попадают больше азотных, в другое -фосфорных, в третье - калийных удобрений, что приводит к нарушению нормального обеспечения растений питательными веществами. Поэтому, задача совершенствования технологических средств для поверхностного внесения минеральных удобрений и известковых материалов является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.

Цель работы - изыскание рациональных параметров центробежного рабочего органа разбрасывателя для поверхностного внесения минеральных удобрений.

Объект исследования - центробежный рабочий орган, используемый в машинах для поверхностного внесения минеральных удобрений и известковых материалов в почву.

Методика исследований. Теоретические исследования проводились путем изучения кинематики движения частиц удобрений по поверхности рабочего органа, определения его технологических и конструктивных показателей. Обоснование формы поверхности основано на математическом описании непрерывного схода частиц удобрений от момента поступления на рабочий орган до момента конечного их схода без удара и разрушения гранул. При проведении исследований использовались известные теоретические положения о закономерности свободного движения сыпучих материалов и математический анализ. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и полевых условиях с использованием отраслевых и частных методик, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. Лабораторно-полевые эксперименты позволили сравнить агротехнические показатели работы экспериментальной машины с серийной. Полученные результаты обрабатывались на ПЭВМ с применением современного программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе проведенных исследований сформулированы и обоснованы теоретические предпосылки по улучшению показателей технологического процесса поверхностного внесения минеральных удобрений рабочими органами центробежного типа. Разработана обобщенная методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа к машинам для внесения минеральных удобрений. Предложены уравнения, описывающие закономерность технологического

процесса взаимодействия частиц удобрений с рабочим органом от момента поступления до момента их конечного схода без удара и разрушения гранул. Разработана математическая модель процесса распределения частиц минеральных удобрений и известковых материалов рабочим органом по поверхности почвы, учитывающая гранулометрический состав и особенности конструкции рабочего органа. Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель РФ №55247.

Практическая ценность работы заключается в разработке уточненных методик инженерного расчета основных параметров рабочих органов разбрасывателей центробежного типа. Внедрение разбрасывателя с предлагаемым рабочим органом позволит увеличить производительность агрегата, снизить затраты труда и денежных средств, что положительно скажется на сроке окупаемости.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований были использованы на ОАО Авторемонтный завод «Саранский» при изготовлении экспериментального образца машины для поверхностного внесения минеральных удобрений и в учебном процессе института механики и энергетики ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на ежегодных научных конференциях ГОУВПО «Мордовский государственный университет» (1999-2007гг.), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (2002г.), на Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (2004г/), на 2-й и 3-ей Республиканских научно-практических конференциях «Роль науки и инноваций в развитие хозяйственного комплекса региона» (2003-2005гг.), на научных конференциях молодых ученых (г. Саранск, 2006-2007гг.). Опытный образец рабочего органа и рекомендации по

переоборудованию серийных разбрасывателей минеральных удобрений и известковых материалов демонстрировались на Республиканских выставках.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в их числе 2 в центральной печати, из них 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников (123 наименования, в том числе 5 на иностранных языках) и приложений. Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста и включает 26 рисунков. Кроме того, содержит приложения на 23 страницах с J_l таблицами и Д рисунками.

На защиту выносятся:

- обобщенная методика расчета рациональных конструктивных и
кинематических параметров рабочего органа машин для поверхностного
внесения минеральных удобрений;

- уточненная математическая модель распределения частиц удобрений
и известковых материалов по поверхности поля, учитывающая
гранулометрический состав, особенности конструкции рабочего органа;

конструкция центробежного рабочего органа для внесения минеральных удобрений и его параметры;

результаты исследований качественных показателей работы центробежного рабочего органа разбрасывателя при поверхностном внесении удобрений.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Влияние неравномерности внесения удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур

Кризис аграрного сектора экономики России в 90-е г.г. вызвал резкое уменьшение применения минеральных удобрений. Это привело к снижению плодородия почвы, отрицательному балансу питательных веществ в земледелии, ухудшению фитосанитарного состояния посевов и как следствие падению урожайности сельскохозяйственных культур. Выход из сложившегося положения видится в возращении к интенсификации на базе разумного научно-обоснованного применения удобрений, мелиорантов и средств защиты растений. Основополагающие критерии современных технологий - сохранение и повышение почвенного плодородия, ресурсосбережение, экологическая безопасность продукции и охрана окружающей среды. Поэтому, изучение эффективных энергосберегающих приемов обработки почвы, доз минеральных удобрений и средств защиты растений в конкретно почвенно-климатических условиях - актуальная задача современного земледелия.

Для каждой сельскохозяйственной культуры в конкретных природно-климатических условиях существует оптимальная доза внесения удобрений, соответствующая их максимальной окупаемости. Равномерное внесение удобрений по поверхности почвы - одно из условий, повышающих их эффективность и устраняющих пестроту урожая в пределах поля. Поэтому агротехническими требованиями [70] допускается неравномерность распределения удобрений по ширине захвата центробежного разбрасывателя не выше ± 25%, по ходу движения агрегата - до ±10%. От характера распределения дозы по полю зависит средняя урожайность сельскохозяйственных культур. С ростом неравномерности внесения удобрений значительно ухудшается отзывчивость растений на удобрения.

Неравномерное внесение удобрений оказывает влияние на свойства урожая (снижает его технологические и биологические достоинства, способствует накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах), а также

приводит к загрязнению окружающей среды. Доказано, что режим питания растений предопределяет такие технологические качества сельскохозяйственной продукции, как длина и крепость волокна льна, конопли, хлопчатника и других культур, содержание крахмала в картофеле, количество кислот в растительных жирах, содержание алкалоидов в лекарственных растениях. Неоднородность почвенного плодородия, обусловленная неравномерным распределением удобрений, часто является основной причиной полегания посевов зерновых колосовых культур даже при возделывании сравнительно устойчивых к полеганию сортов. По данным ВНИИТЭИСХ, потери от полегания хлебов выражаются прямыми потерями урожая зерна и в отдельные годы достигают 25-60% [28]. Полегание затрудняет механизированную уборку зерновых культур, снижает технологические свойства зерна, и, кроме того, полеглые растения сильнее поражаются болезнями.

По многолетним опытам ЦИНАО, проведенным в девяти областях страны, вследствие неравномерного внесения удобрений снижение биологической урожайности ярового ячменя, озимой и яровой пшеницы, сахарной свеклы, кукурузы и овса составляет более 13%. Это обусловлено тем, что неравномерно удобренное поле представляет собой совокупность различных участков (пятен) поля. Количество питательных веществ на этих участках колеблется около средней дозы внесения. Одни участки по отношению к этой дозе удобрены недостаточно, другие, наоборот, сверх меры. Растения на разных участках по-разному развиваются и в конечном итоге дают неодинаковую урожайность.

Анализ модельных полевых опытов дает более отчетливое представление о действии неравномерного распределения удобрений на урожайность растений. Для оценки совокупного влияния различных проявлений неравномерного внесения удобрений на издержки можно использовать структурную схему, приведенную на рис. 1. Применение высоких доз удобрений приводит к возрастанию риска, связанного со снижением урожайности в связи с некачественным их внесением.

Снижение окупаемости удобрений

Загрязнение окружающей среды

Недобор биологического урожая

Ухудшение свойств урожая

Загрязнение грунтовых вод в следствии эрозии

Загрязнение фунтовых вод

Неоднородность структуры урожая

Полегание хлебов

Накопление нитратов в урожае

Снижение технологических свойств урожая

Снижение биологических свойств урожая

Потери урожая при уборке

Снижение производительности уборочных машин

-J

Суммарные издержки

Рис. 1. Структурная схема издержек от некачественного внесения удобрений

Повышение плодородия тесно связано и с поддержанием оптимальной реакции почвенной среды, которая достигается путем известкования. Очень важно равномерно распределять кроме удобрений и известь по полю. При неравномерном размещении эффективность ее значительно снижается. Следует учитывать, что известкование, несмотря на многогранность своего действия, не является полноценным приемом при возделывании сельскохозяйственных культур. Оно улучшает в условиях подзолистых почв общий агро-

технический фон, на котором с помощью минеральных удобрений можно добиться получения высоких и устойчивых урожаев.

Академик ВАСХНИЛ Т.Н. Кулавская [60] указывает, что известкование почвы, внесение удобрений и повышение агротехнического уровня - необходимое условие действия минеральных удобрений и роста урожайности сельскохозяйственных культур. Известкование, как один из ведущих приемов окультуривания почв, должно проводиться опережающими темпами по сравнению с ростом использования минеральных удобрений. Постоянно возрастающий объем применения минеральных удобрений требует максимального роста темпов известкования.

Однако по данным ряда авторов [15, 76], качество внесения известковых материалов, как и качество внесения минеральных удобрений, в большинстве своем не соответствуют агротехническим требованиям. Необходимо отметить и то, что известь является длительно действующим веществом, и от качества ее внесения в почву зависит урожайность сельскохозяйственных культур на протяжении ряда лет. Кроме сложных и простых удобрений, в сельском хозяйстве широко используются смешанные, которые позволяют применить туки в разных природно-климатических условиях и с любым соотношением питательных элементов [12, 23, 51, 64, 65].

Внесение минеральных удобрений в смешанном виде экономически выгодно, т.к. позволяет снизить затраты труда в 2-2,5 раза на единицу площади в сравнении с раздельным внесением каждого компонента смеси [64].

Исследованиями советских [12] и зарубежных [118] ученых установлено, что изменение урожая при внесении тукосмесей зависит от внесения минимального количества одного из питательных элементов, а колебания тукосмесей по питательным свойствам до 20% не оказывают существенного влияния на урожай сельскохозяйственных культур. Как показывает практика, разделение тукосмеси на компоненты приводит к неравномерному распределению их по поверхности поля. Так, в одно место почвы попадают больше азотных, в другое - фосфорных, в третье - калийных удобрений, что приво-

дит к нарушению нормального обеспечения растений питательными веществами.

Как известно, в полнокомпонентной смеси удобрений каждый компонент отличается своими физико-механическими свойствами. Поэтому неравномерность распределения для различных фракций отличается от неравномерности распределения всей смеси.

Профессор Назаров СИ. [63] отмечает, что при внесении туковых смесей неравномерность соотношения компонентов смеси при этом может достигать до 60-70%.

Установлено [60], что получить высококачественную смесь различных видов минеральных удобрений можно лишь тогда, когда все ее компоненты состоят из выровненных гранул. Разница средних размеров частиц удобрений в 2 мм приводит к тому, что неравномерность перемешивания оказывается вдвое выше допустимого предела. Как правило, такие тукосмеси расслаиваются при транспортировке и неравномерно распределяются по полю.

Исследованиями [15, 67] установлено, что в зависимости от конструктивных особенностей разбрасывателей и качества рассеиваемых удобрений неравномерность распределения туков может изменяться в широких пределах от 10 до 165%> от средней дозы. Это ведет к недобору урожая зерновых до 20%. Данные полевых опытов, приведенных агротехническими лабораториями [114], показывают, что неравномерность внесения основного удобрения в пределах 40-60% приводит к недобору 4-6%) урожая зерновых и пропашных культур. С увеличением степени неравномерности до 70-80%) этот показатель достигает 11-15%>.

Исследования, проведенные Осиповым В.Т. и др. [69, 71, 16, 28] в ЦИ-НАО, показали значительное влияние неравномерности внесения нитроаммофоски на урожай ячменя. Если при неравномерности внесения 10%) урожайность составила 26,6 ц/га, то при неравномерности 60% получено всего 21,5 ц/га.

Опыты, проведенные Черниковым Б.П. [112, 113, 114] на Центральной МИС, показали, что при внесении нитроаммофоски 5 ц/га с неравномерностью ±20-30% и 50-70% получен был урожай зерна соответственно 25 и 21,5 ц/га.

Зарубежными исследователями [119,120, 121] установлено, что в США урожай на участках с равномерным распределением удобрений на 15% выше среднего урожая с участков с неравномерно внесенными удобрениями.

Другой зарубежный исследователь [122] отмечает, что в результате несоблюдения эффективной ширины захвата разбрасывателя на 2,0 м урожай сахарной свеклы снизился на 18%, сена - на 16%, картофеля - на 10%.

По данным опытных станций Великобритании [120, 121], в результате неравномерного внесения удобрений ежегодно теряется свыше 19% урожая сахарной свеклы, 16% сена и до 10% зерна и картофеля.

В результате изучения влияния качества распределения удобрений и известковых материалов по всему полю, установлено, что неравномерное внесение удобрений приводит к снижению их окупаемости, загрязнению окружающей среды, ухудшению свойств урожая, к неравномерному созреванию хлебов, более поздней уборке, к снижению производительности машин и увеличению сроков уборки. Таковы последствия неравномерного внесения минеральных удобрений и известковых материалов по поверхности поля. Все это указывает на необходимость дальнейших исследований технологического процесса поверхностного внесения минеральных удобрений, качество которых отвечает агротехнически допустимым требованиям по равномерности распределения по ширине захвата (± 25%).

1.2 Анализ конструкций машин с центробежными рабочими органами для внесения минеральных удобрений

В западной Европе сплошное поверхностное внесение минеральных удобрений начали применять в 80-х годах XIX столетия. В России же, первые опыты по способам внесения удобрений начали проводиться в период 1885-

1896 гг., с созданием опытных полей. Вначале, машины для сплошного внесения минеральных удобрений конструировались по типу разбросных сеялок. Но широкого распространения эти машины не получили из-за малой производительности, вместимости тукового ящика и высокой металлоемкости. В связи с расширением применения минеральных удобрений и улучшением их физико-механических свойств возрос интерес к машинам с дисковыми центробежными рабочими органами. Массовое производство машин с дисковыми центробежными рабочими органами в нашей стране началось с 1962 года. Были созданы разбрасыватели РУ-4,0, РМУ-2,0 и приспособления ПРИ-8 и РКМ-500. Эти машины имели ширину захвата в 3-4 раза большую, чем обычные туковые сеялки. Кроме того, их отличало более высокая вместимость бункера, возможность загрузки любой погрузочной машиной и внесение минеральных удобрений в больших дозах, простота конструкции, меньшая металлоемкость и надежность в работе. В дальнейшем эти машины совершенствовались в направлении увеличения грузоподъемности, производительности, повышения качества технологического процесса внесения минеральных удобрений и известковых материалов в почву. Однако эти машины распределяли удобрения с большой неравномерностью (> 25%), переуплотняли почву вследствие высокого давления шин и несоблюдения агротехнических сроков работ из-за плохой проходимости. На смену старым машинам для внесения твердых минеральных удобрений и слабо пылящих мелиорантов были разработаны новые высокопроизводительные машины РУМ-5, РУМ-8, РУМ16, КСА-3, 1РМГ- 4Б, МВУ-8Б, МВУ-0,5, СТТ-10. Новые машины превосходят известные ранее образцы по ряду существенных показателей: по равномерности внесения удобрений, эксплуатационной и технологической надежности, производительности и экономичности. В состав таких машин входят бункер (кузов) с рамой, транспортер, питатель, дозирующее устройство, туконаправитель, устройство для рассева удобрений, привод рабочих органов и вспомогательное оборудование. Дозирующими устройствами этих машин являются дисковые аппараты центробежного типа с верти-

кальной осью вращения. Такой тип рабочих органов применяют большинство стран мира.

В США [14, 48,49] широкое распространение для внесения минеральных удобрений и извести получили разбрасыватели большой грузоподъемности с двухдисковыми рабочими органами. Как правило, в большинстве своем они устанавливаются на автомобилях и имеют объем бункера 5,5-7,5 м . Широкое распространение получили двухдисковые центробежные разбрасыватели в Польше, в Англии, в Дании и других странах [51,94,111].

Находят также применение большегрузные разбрасыватели фирмы «Diadem - Streumaster и Amos» в Германии, которые оборудованы 2-х дисковым разбрасывающим механизмом для внесение гранулированных удобрений и извести с шириной захвата до 20 м.

В Болгарии [117] распространены машины с центробежными рабочими органами с емкостью кузова от 0,2-8 м³. Производительность и ширина захвата таких разбрасывателей составляют соответственно 4 га/ч - 8 м, 6 га/ч -12,5 м, и 24 га/ч -25 м.

В настоящее время в нашей стране также выпускаются большегрузные машины для внесения минеральных удобрений и извести, это МВУ-8 (тракторные), МХА-7(автомобильные), АМП-5(самоходные). Все они предназначены для сплошного поверхностного внесения всех видов и форм минеральных удобрений и известковых материалов.

За последние годы ситуация с использованием минеральных удобрений в сельскохозяйственном производстве страны резко изменилась по сравнению с предыдущими годами. В тот период удобрения использовались в сравнительно больших средних дозах (около 400 кг/га), а также проводилось известкование и гипсование почв со средней дозой внесения извести или гипса около 6000 кг/га. Поэтому для внесения минеральных удобрений и химических мелиорантов рационально было использовать машины кузовного типа с объемом кузова от 3 до 12 м и принудительными дозаторами, выполненными в виде цепочно-планчатого конвейера с регулируемой заслонкой и двух-

дискового разбрасывателя. Однако в последнее время использование тяжелых кузовных разбрасывателей экономически не оправдано, поскольку удельные расходы топлива и денежные средства на единицу объема в этом случае очень высоки. Поэтому в настоящее время для внесения минеральных удобрений преимущественным спросом у крестьян пользуются навесные центробежные машины с объемом бункера 0,5-1 м . Кроме того, такие машины удобны для внесения местных удобрений (дефеката, фосфата и др.).

Заводы Украины и Белоруссии для внесения минеральных удобрений выпускают навесные машины с однодисковым центробежным рабочим органом МВД-0,5, МВД-900 и Л-116 с объемом бункера 0,5 и 0,9 м³. Они предназначены для внесения удобрений нормальной влажности и не засоренных крупными инородными предметами [3,4].

Подавляющее большинство применяемых в Европе разбрасывателей минеральных удобрений - это машины с однодисковым рабочим органом, которые выпускают такие фирмы, как Amazone, Accord, Sueby, Diadem и др. [117, 94, 52]. Основное преимущество однодисковых разбрасывателей - их цена, надежность, металлоемкость и маневренность.

В 1997 г. в ВИСХОМе разработана первая отечественная машина к тракторам к л. 0,6-0,9 с пневмоцентробежным высевающим рабочим органом, обеспечивающим качественное внесение удобрений, высокую маневренность и производительность. Машина может быть использована в фермерских хозяйствах для сплошного посева зерновых культур; семян сидера-тов, а также для подкормки [102].

Для устранения технических недостатков, присущих им в сравнении с другими машинами (неравномерность распределения, проблемы приграничной обработки стыковых проходов), предприятиями изготовителями предпринимаются в последние годы немало усилий: Для этого разработаны и проходят испытания устройства для изменения места подачи удобрений на диск; специальные диски или крылья для односторонней работы; устройства для изменения разбрасывающих лопастей или числа оборотов диска; гидрав-

лическое устройство для наклона разбрасывающего диска влево или вправо; ограничительные диски или козырьки.

Применяемые в разбрасывателях дисковые рабочие органы предназначены для рассева не только гранулированных, но и порошковидных минеральных удобрений, известковых материалов и гипса, которые в своем составе имеют крупные и твердые включения. Учитывая также фактическое положение дел с хранением минеральных удобрений в хозяйствах, более приемлемыми для данных условий могут быть разбрасыватели, оборудованные рабочими органами открытого типа с плоскими дисками. Диски бывают: плоские и конусные, с вертикальной и с наклонной осью вращения. Диски оборудованы различными по форме выбросными лопастями: Z-образными, прямоугольными, жолобообразными. Ряд фирм на концах лопастей помещают удлинители и предусматривают регулировку лопастей и удлинителей. Количество выбросных лопастей на дисках колеблется от 3-х до 8, диаметры дисков от 450 до 700 мм. Эти аппараты просты по устройству, надежны в работе, при правильной настройке машины способны обеспечить удовлетворительное качество поверхностного внесения минеральных удобрений и известковых материалов в почву. Учитывая положительные стороны центробежного аппарата с вертикальной осью вращения по сравнению с другими распределительными устройствами (маятниковым, цепным, шнековым, ленточным, пневматическим и др.) при внесении в почву различных видов минеральных удобрений и известковых материалов, есть необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований с целью обоснования их рациональных параметров.

1.3 Обзор и анализ экспериментальных исследований технологического процесса внесения удобрений центробежными дисковыми аппаратами

Рабочий процесс центробежного дискового аппарата складывается из трех фаз: подачи удобрений, относительного их перемешивания по диску,

сбрасывания с диска и распределения удобрений по поверхности поля. Качество распределения удобрений по поверхности поля зависит от конструктивных параметров аппарата и режимов его работы.

Рассматривая процесс встречи частиц удобрений с поверхностью диска и лопастями, многие исследователи условно считают, что частицы удобрений поступают на диск с бесконечно малой скоростью или начальной скоростью равной нулю [13, 96]. Фактически же, как в отечественных, так и зарубежных конструкциях машин для поверхностного внесения минеральных удобрений частицы туков поступают на центробежные диски, имея начальную скорость подачи в пределах 1,5-4 м/с [105]. В результате этого, соприкосновение частиц туков с поверхностью диска сопровождается ударом. Авторами также выявлено, что наряду с процессом отражения гранул от поверхности диска и лопасти имеет место процесс их разрушения, который зависит как от технологических свойств удобрений, так и от параметров разбрасывающих дисков: диаметра, окружной скорости, места подачи туков, количества, формы и расположения лопастей.

В.И. Якубаускас [105] установил, что для гранулированного суперфосфата влажностью от 2 до 11% высота отражения гранул изменяется в пределах 6-50 мм. С увеличением начальной скорости падения высота отражения гранул возрастает. При наличии у существующих конструкций разбрасывающих рабочих органов упругого удара, а также значительного диапазона изменения частоты вращения диска, невозможно избежать дробление гранул удобрений.

По данным Закутского [37], центробежным аппаратом при частоте вращения 57,5 с"¹, дробится 3% гранул удобрений, а при частоте вращения 62,8 с"¹ дробление гранул составляет уже 11%.

Исследованиями профессора А.Т. Лысенко и В.А. Михайленко [52] установлено, что каждый центробежный рабочий орган разбрасывателя в зависимости от частоты вращения разрушает гранулы удобрений. Изменение частоты вращения диска в пределах от 21,0 с"¹ до 115 с'¹ приводит к увеличению

дробления гранул гранулированного суперфосфата с 2,3 до 11,2%, а при частоте вращения 146,5 с'¹ до 19,7%. Авторы отмечают, что необходимо изыскать такую конструкцию рабочего органа, которая позволила бы свести к минимуму или избежать явления дробления гранул при внесении минеральных удобрений центробежными аппаратами.

Большой вклад в создание и совершенствование конструкций рабочих органов внес академик П.М. Василенко [13]. Он рассматривал общие случаи движения частиц по поверхности горизонтального диска, а также движение частиц вдоль прямой и криволинейной лопасти.

Дальнейшее развитие по совершенствованию дисковых аппаратов даны в работах Хоменко М.С. [99], Козловского Е.В. [42], Догоновского М.С. [29], Кушилкина Б.А. [43], Рядных В.В. [80], Назарова СИ. [64], Сергеева B.C. [85], Адамчук В.В. [4] и других авторов [7,17,36,45, 61, 89].

М.С. Хоменко [99] проведены исследования технологического процесса рассева минеральных удобрений центробежным аппаратом с обратным конусом с установленными на нем под углом к радиальному направлению лопастями прямоугольной формы. Конические диски дают большую ширину рассева удобрений, но в то же время с увеличением нормы внесения ширина эффективного разброса заметно падает и увеличивается разность между скоростями частиц, сходящих с диска. Разность скоростей схода частиц удобрений сказывается на равномерности распределения их по поверхности почвы. Наилучшие показатели качества распределения туков получены диском с углом конусности 3 и лопастями, установленными под углом 18.

При исследовании конического диска, Ю.М. Залесский [36] установил, что оптимальным значением угла конусности диска является угол 10, однако при рассеве гранулированных минеральных удобрений результаты опытов получены несколько хуже, чем у плоского диска.

В.А. Михайленко [61] исследовал технологический процесс работы конусообразного рабочего органа, сочетающего в себе два конуса: один основной, второй вспомогательный. Автор рекомендует, что угол при вершине ма-

лого вспомогательного конуса должен быть 60 , а угол образующей основного конуса - 20. Установка малого вспомогательного конуса позволяет уменьшить время нахождения частиц на поверхности основного конуса более чем в 3 раза, увеличить равномерность распределения минеральных удобрений. В работе [61] автор пишет, что оптимальная высота расположения дисков 800-900 мм от поверхности почвы, угол наклона лопастей в сторону вращения диска должен быть в пределах 10-15. Более высокую равномерность распределения гранулированного суперфосфата по поверхности почвы обеспечивает конусный диск с кольцевой накладкой.

Исследованиями В.В. Рядных [80] установлено, что центробежный рабочий орган может быть с успехом применен для внесения всех видов минеральных удобрений, известковых материалов и песка на дорожных машинах.

Г.П. Поповым [74] установлено, что величина начального радиуса подачи должна быть такой, чтобы линейная скорость лопастей в момент подачи удобрений на диск была меньше критической скорости удара. На основании проведенных исследований им разработана оптимальная форма, профиль, высота, длина и расположение лопастей на диске.

С.А. Тыльный [97] при исследовании работы центробежных метательных аппаратов минеральных удобрений установил, что для достижения оптимальных значений относительной и абсолютной скоростей частиц форма лопасти должна иметь сложный профиль: для схода с диска лопасть должна иметь форму логарифмической спирали, а в момент схода удобрений лопасть имеет выступ, стенка которого повернута в сторону вращения центробежного диска на 30-35 и приподнята к горизонту на 25-30 от дна. Такая конструкция диска, по мнению автора, увеличивает производительность, начальную скорость полета туков на 40-50% в сравнении с аппаратами, снабженными радиальными лопастями.

По данным Б.А. Кушилкина [43], оптимальные размеры диска лежат в пределах 450-650 мм, а во избежание пересыпания удобрений через края нужно установить четыре лопасти. Автор рекомендует изготавливать разбра-

сывающий диск двойным, что позволяет дополнительно снижать неравномерность на 8-9%. Подача удобрений на диск должна осуществляться в этом случае посредством 2-х тукопроводов с интервалом по дуге окружности 85. Однако это усложняет конструкцию туконаправителя разбрасывателя.

В.Д. Переверзевым [59] предложен двухъярусный центробежный диск с тройной подачей удобрений. Благодаря тройной подаче туков на центробежный аппарат автору удалось достичь эффективной ширины захвата, близкой к общей, что значительно выше аналогичного показателя серийных разбрасывателей. Однако из-за своей сложности конструкция центробежного аппарата с тройной подачей удобрений не нашла применения.

B.C. Сергеевым [86] разработан центробежный рабочий орган псевдосферической формы. Исследования данного рабочего органа показали, что неравномерность внесения гранулированного суперфосфата не превышает 20,8%, аммиачной силитры - 15,4%, смеси минеральных удобрений - 16,6% на ширине захвата разбрасывателя 30 м. Однако, как было уже отмечено выше, обратный конус псевдосферического рабочего органа неудовлетворительно работает при внесении порошкообразных удобрений и известковых материалов.

В.В. Адамчук [5] предлагает изменять положение лопастей на диске в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Такая конструкция позволит регулировать угол разгона удобрений (в пределах 76-260), место их схода с рабочего органа и рабочую ширину захвата. Однако удобрения на данный диск поступают с некоторой начальной скоростью, что приводит к удару, а, следовательно, и разрушению гранул.

М. Г. Догановский [29] установил, что при увеличении угла наклона лопастей к горизонту, дальность полета частиц удобрений достигает максимума при 25, а при дальнейшем увеличении угла она плавно снижается. Дальность полета частиц удобрений можно увеличить, используя в качестве рабочего органа диск с обратным конусом. Однако при изготовлении конус-

ного диска значительно возрастает его масса и высота, что обуславливает нежелательное увеличение высоты центробежной машины [29].

А.А. Кукибный [50] определил, что при увеличении скорости, дальность полета частиц удобрений увеличивается. Однако при частоте вращения диска более чем 800 мин*¹, скорость соударения частиц удобрений с лопастями превышает допустимые пределы и происходит разрушение гранул аммофоса и аммиачной селитры.

Обзор и анализ работ по исследованию технологического процесса рассева минеральных удобрений и известковых материалов центробежными рабочими органами показал, что процесс работы изучен еще недостаточно. В литературе нет единого мнения по проектированию конструкций машин и центробежных аппаратов для поверхностного внесения минеральных удобрений и известковых материалов в почву. Следовательно, при создании машин необходимо учитывать следующие требования: точность внесения, высокая равномерность распределения по ширине разбрасывания и направлению движения независимо от рабочей скорости, дозы внесения, заполнение емкости. А также, универсальность техники, т.е. пригодность разбрасывателя для различных видов удобрений, простота регулировки дозы внесения, возможность изменения дозы внесения в процессе работы, простота настройки, установки и контроля внесения дозы удобрений, простота технического обслуживания и ремонта, низкая стоимость.

1.4 Обзор и анализ теоретических исследований технологического процесса внесения удобрений центробежными дисковыми аппаратами

Большой вклад в создание центробежных органов и теоретическое их обоснование внес основополагающими работами академик П.М Василенко [13]. В них рассмотрены общие случаи движения частиц по поверхности горизонтального диска, силы, действующие на частицу материала. В зависимости от условий, как отмечает автор, возможными траекториями относитель-

ного движения частиц по диску могут быть Архимедова спираль, логарифмическая спираль или развертка окружности. Так, траектория движения частицы по гладкому диску опишется следующим уравнением:

R=R₀e^aq , (1.1)

где Ro и q - текущие полярные координаты;

a - угол между касательной к спирали и радиусом, град.

Это уравнение логарифмической спирали. Теория центробежного дискового аппарата получила дальнейшее развитие в работах профессора СИ. Назарова [63, 64, 65] и других авторов [97,49,43,4, 76].

СИ. Назаровым [64] получено обобщенное дифференциальное уравнение движения частиц туков относительно лопасти с учетом конструктивных параметров рабочего органа, фрикционных и аэродинамических свойств удобрений при сопротивлении среды. Данное уравнение имеет следующий вид:

У + аУ'-вУ +А=о. (1.2)

Значение А определяется из следующего выражения

а = k _n + 2 f со j

где а и в - соответствующие значения дифференциального уравнения;

У- текущие координаты, мм;

к„ - коэффициент парусности;

f - коэффициент трения скольжения;

со - угловая скорость рабочего органа, с"¹.

Анализ полученных зависимостей позволили установить автору, что угол сбрасывания увеличивается с ростом коэффициента трения и парусности частиц удобрений, а также с уменьшением угловой скорости и расстояния точки поступления частиц на диск от его центра.

СА. Тыльным [97] получены зависимости для определения относительной V_r и абсолютной V_a скоростей движения частиц по центробежному рабочему органу:

Относительная скорость движения будет:

V=cor( Vl + f ² -f) ' (^L3)

а абсолютная

V_a = cor J2 l-f(l +f²-f) ' ^ ' '

где со - угловая скорость, рабочего органа, с"¹;

г- радиус диска рабочего органа, мм.

Автор указывает, что величина этих скоростей уменьшается с уменьшением окружной скорости и с увеличением коэффициента трения, причем относительная скорость уменьшается быстрее, чем абсолютная. Проведенные исследования позволили автору сделать вывод, что достичь увеличения производительности центробежного аппарата можно лишь за счет снижения величины силы трения удобрений о лопасти. Для этих целей лопасти должны иметь переменную кривизну, зависящую от отношения скоростей:

sin \|/ = 2

Следует, однако, заметить, что ассортимент удобрений большой и коэффициент трения их колеблется в значительных пределах (0,2-0,8) в зависимости от вида, гранулометрического состава и влажности туков. Поэтому для одного вида удобрений криволинейная форма лопасти может обеспечить увеличение производительности центробежного аппарата, а для другого наоборот уменьшить. Как отмечает А.А. Кукибный [50], на траекторию и дальность свободного полета частиц удобрений влияет скорость метания, угол метания и коэффициент парусности частиц.

Изучив влияние указанных величин, автор рекомендует определить максимальную дальность полета частиц по формуле:

X = ^-J0,272k „ V_a²sin2a_n +1 , (1.5)

max If V ' " ^a U

где V_a - скорость метания, м/с; к_п - коэффициент парусности; do - угол метания, град.

Однако автором здесь не учитываются конструктивные параметры рабочего органа, которые также оказывают влияние на дальность полета частиц.

Б.А Кушилкин [43] предложил общее решение уравнения движения частиц вдоль лопастей, наклоненных вперед по направлению вращения рабочего органа. Однако, как отмечает автор, при работе двухдискового аппарата возникает сильный воздушный поток в межлопастной зоне центробежных аппаратов, что не учитывается в данном уравнении. Для диска с лопастями, наклоненными вперед по направлению вращения, общее решение уравнения в развернутом виде будет следующим:

ff+Vf^+TYso-fJ fVf4i-fU (f-Vf2"+i](s₀-f_a) -(VF+T+fl

(1.6)

_v ) ^&_л ) , v ) [

+

S =

2Vf² + l 2Vf² +1

где S - путь, пройденный частицей по лопасти, мм;

f- коэффициент трения удобрений по лопасти;

So - расстояние до точки встречи частиц с лопастью, мм;

а - расстояние от центра диска до лопасти по нормали, мм;

со - угловая скорость рабочего органа, с"¹;

t - время прохождения частиц по лопасти, с.

Следует заметить, что в данном уравнении не учитывается начальная скорость поступления удобрений на рабочий орган.

В.В. Адамчук [4] предлагает для лопастей, с возможностью их поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях, движение частиц вдоль лопасти определить следующим образом.

П =

1-fj.tga

g(^ + tgc^) ₊ (^^Rsin(b)

со'

cos а

- r₀cos

arcsin( —sinci;,)

,(1-7)

где fj,- коэффициент сопротивления движению частиц вдоль лопасти; Олд- угол действия по нормали к днищу лопасти, град. а_л - угол установки лопасти относительно радиуса, град. R - радиус диска, мм.

Из данного уравнения можно найти частное решение с учетом формы рабочего органа, однако здесь не учитываются кинематические параметры самого рабочего органа.

Горизонтальному центробежному диску закрытого типа с эксцентричной подачей удобрений обычно сообщается повышенная частота вращения, так как это позволяет получить достаточный напор воздушной струи. Но если не будет достаточного напора, то лопасть подхватывает частицы удобрений на лету, и они сойдут с верхней ее части концентрированной струей, что ухудшает равномерность внесения минеральных удобрений. Для предотвращения этого Н.И. Евтухов [76] рекомендует, чтобы удобрения, выходящие из патрубка тукопровода, были равномерно распределены по всему сечению струи, то есть по высоте лопасти, что достигается путем применения лопастей переменной высоты. При этом путь прохождения частицы вдоль лопасти определяется как:

( \²

arcsin —

_у= \ /оJ ₊lo,_arcsin JL , (1.8)

2о)2 _{ю Г()}

где Vo -начальная скорость поступления частицы на лопасть, м/с;

г₀ - расстояние место подачи удобрений, мм;

аз - угловая скорость рабочего органа, с'¹;

g- ускорение свободного падения, м/с .

Анализ данного уравнения показывает, что криволинейный начальный участок траектории быстро переходит в прямой горизонтальный. Частицам, поступившим на лопасти у периферии диска, сообщается наименьшая скорость вылета, т.к центробежная сила здесь велика. Частицы, поступившие на лопасти около центра диска, приобретают более высокую скорость по вертикали, так как центробежная сила здесь сравнительно мала и траектория движения таких частиц имеет вид выпуклой кривой.

Е.С. Когелес [44] относительное движение туков по криволинейной лопасти центробежного диска описывает уравнением:

V_KV42f_fl2-«V + f <о²г²р' + ^У = 0 , (1.9)

где V_r- относительная скорость движения тука вдоль лопасти, м/с;

f„ - коэффициент трения тука по лопасти.

со- угловая скорость рабочего органа, с"¹;

г - полярный радиус;

ф' - производная во времени полярного угла;

f/ - коэффициент трения тука по диску.

Однако автор отмечает, что для обоснования выбора формы лопастей и параметров диска необходим универсальный расчетный аппарат. Приемлемое приближение к общему решению данного уравнения может быть получено с помощью метода линейных возмущений. Применительно к уравнению в качестве "возмущающего" аргумента можно использовать коэффициент трения f.

М.Г. Догоновский [29] предлагает для определения движения туков по лопасти рабочего органа, вращающегося вокруг горизонтальной оси с постоянной угловой скоростью, следующее уравнение:

_г=шгсо^±а₁)_(А__в) ^ _(1Л0)

где ф - угол трения частиц о лопасть, рад.;

а,- - угол наклона лопасти к радиусу вектору, рад.;

А и В - соответствующие значения составных частей дифференциального уравнения.

Уравнение позволяет определить положение частиц на лопасти и относительную скорость в любой момент времени, однако для этого необходимо применять сложные и неудобные для практических расчетов методы. Так, чтобы найти угол cot поворота лопасти в момент схода с нее частиц, по которому рассчитываются все остальные параметры, характеризующие условия вылета частиц из ротора, необходимо либо строить для каждого случая графики x=f(t), либо пользоваться при решении данного уравнения трудоемким методом последовательного приближения. Автор также предложил уравне-

ниє для определения скорости, направления полета и угла разбрасывания удобрений, сброшенных с лопасти рабочего органа. Скорость выбрасываемых удобрений можно определить как абсолютную скорость частиц в момент ее схода с лопасти.

V=Jv²+U²±2VUsina; , (1.11)

avnrnr¹' ^vy

где V_n - переносная скорость частиц удобрений, м/с;

U_r - относительная скорость схода удобрений с лопасти, м/с. Если лопасти расположены радиально, то эта скорость будет:

V =k cor , (1.12)

a v ^v '

где k_v - коэффициент, зависящий от угла трения материала о лопасть.

Направление полета материала, сошедшего с лопасти, определяется углом между вектором абсолютной скорости частиц и горизонтом. Этот угол может быть найден по уравнению.

Зя V cosao /і io\

В =4rmt. -arcsin^-—±о ' \^1Л:>)

^ро 2 і V_Q т

где Ро- У^гол полета частиц к горизонту, град;

ot_c - наименьший угол схода, град;

cot_a - наибольший угол схода, град.

Однако удобрения поступают на рабочий орган в некоторой зоне диска, причем материал, поданный в точку этой зоны, имеет наименьший угол схода. Чтобы материал был выброшен из ротора за один оборот, угол разгрузочного окна необходимо выбрать исходя из соотношения, cot >cot -cot , т.е.

чтобы независимо от места подачи диск полностью очищался. Смещение зоны подачи ближе к центру вращения рабочего органа или дальше от него вызывает соответственно увеличение или уменьшение углов COtp и Ро.

В.В.Рядных [80] изучал влияние радиуса и скорости вращения диска на качество распределения удобрений. Он пришел к выводу, что наилучшее качество распределения удобрений с преобладающим содержанием крупных частиц получается при рассеивании веерообразной струей. Удобрения, со-

стоящие преимущественно из легких фракций, целесообразнее высеивать плотной струёй. Зависимость между полной шириной рассева удобрений L и дальностью полета частиц средних размеров, можно выразить соотношением:

L = k_M-x_Max, (1.14)

где L - ширина рассева удобрений, м;

х_мах - дальность полета частиц, м;

к_м - коэффициент зависящий от величины подачи удобрений.

Эффективная ширина рассева удобрений, при котором неравномерность разбрасывания не превышает 25%, составляет в среднем (0,6-0,7)L.

Для случая выброса удобрений веером, окружную скорость ротора с радиальными лопастями можно определить из следующего соотношения.

(1.15)

' cos ср

1 +

_к 1 + sin <р

где R- радиус диска, рабочего органа, мм;

V_a - абсолютная скорость вылета удобрений с диска, м/с.

Теории движения частиц минеральных удобрений по вращающемуся горизонтальному диску, дальности полета и равномерности распределения туков по поверхности поля посвящены работы ряда зарубежных авторов [119,120,121].

Так, Д.Е. Patterson и A.R. Recce [119], изучая процесс движения частиц при подаче в область оси вращения диска центробежного разбрасывателя, пришли к выводу, что равномерность разбрасывания зависит от скорости вращения и величины радиуса диска. Авторы указывают, что в реальных полевых условиях эта скорость меняется и приводит к увеличению неравномерности распределения удобрений по поверхности поля. По мере того, как расстояние загрузки от центра диска растет, эффект удара и отскакивания частиц становится более значительным.

Исследованиями F.M. Jnns и A.R. Recce [120] получены закономерности распределения для частиц правильной сферической формы. Применить же эти теоретические исследования для частиц реальной формы очень сложно.

W. Hollmann и A. Mathes [121] установили зависимость между равномерностью распределения удобрений и выявили влияние размера частиц удобрений на среднюю дальность выброса.

Из выше изложенного следует отметить, что теоретические зависимости для определения конструктивных и кинематических параметров центробежных рабочих органов получены всеми авторами с большими допущениями, такими как: отсутствие удара и начальной скорости при поступлении частиц удобрений на центробежный рабочий орган, что частица тука движется по плоскости диска со скольжением, а также частицы не перекатываются и имеют сферическую форму и т.д. Естественно, эти допущения искажают истинную картину выполнения технологического процесса центробежным рабочим органом.

Обзор теоретических исследований показал, что приведенными авторами подробно рассматривались вопросы обоснования технологического процесса поверхностного внесения минеральных удобрений машинами с центробежными рабочими органами. Однако, настоящие исследования не исчерпывают всех вопросов, связанных с разработкой и применением центробежных рабочих органов, в частности, здесь не затронуты вопросы влияния различных факторов на качество распределения материала, которые трудно поддаются теоретическому исследованию и требуют проведения специальных экспериментов.

1.5 Цель и задачи исследования

На основании изучения состояния вопроса, цель работы формулируется следующим образом: изыскать рациональные параметры центробежного

рабочего органа разбрасывателя для поверхностного внесения минеральных удобрений.

В связи с целью были поставлены следующие задачи исследований:

1. Теоретически установить взаимосвязь между конструктивными и кинематическими параметрами центробежного рабочего органа и качеством его работы.

2. Экспериментально проверить и уточнить основные аналитические зависимости и установить факторы, определяющие характер распределения минеральных удобрений и известковых материалов предлагаемым рабочим органом.

3. Проверить работу экспериментальной машины в полевых условиях при внесении различных видов минеральных удобрений и известковых материалов при заданных нормах и максимальной производительности.

4. Провести сравнительные исследования в полевых условиях работы машин с экспериментальным рабочим органом и серийным центробежным диском.

5. На основании выполненных исследований дать практические рекомендации для использования разработок на производстве.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 К обоснованию формы центробежного рабочего органа

Рабочий процесс центробежного рабочего органа характеризуется наличием трех фаз. К первой фазе относятся встреча частицы удобрений с поверхностью диска и лопасти. Ко второй фазе отнесем ту часть процесса, в пределах которой частицы находятся на рабочей поверхности диска. К третьей фазе отнесем ту часть процесса, когда частицы материала, получив необходимую скорость, покидают диск и совершают свободный полет до соприкосновения их с поверхностью почвы.

Рассматривая первую фазу рабочего процесса, встречу частиц удобрений с поверхностью диска и лопастями, многие исследователи утверждают, что частицы туков поступают на центробежный рабочий орган с начальной скоростью в пределах 1,5-4 м/с [105]. В результате этого соприкосновение частицы туков с поверхностью диска сопровождается ударом. От величины скорости падения и массы гранул зависит ударный импульс. Ударный импульс в свою очередь влияет на дальнейший характер движения частиц удобрений по рабочей поверхности диска. Чем больше величина ударного импульса, тем меньше скорость схода частиц удобрений с диска, что может привести к дополнительному удару со стороны лопастей. С процессом отражения гранул от поверхности диска и лопастей имеет место процесс их разрушения, который зависит как от технологических свойств удобрений, так и от параметров разбрасывающих дисков. С увеличением начальной скорости падения частиц отражение гранул возрастает. Следовательно, первая фаза рабочего процесса сопровождается упругим ударом. Кроме того, значительный диапазон изменения частоты вращения диска увеличивает этот процесс, что приводит к дроблению гранул.

Вторая фаза, т.е. относительное перемещение частиц удобрений по диску подразделяется на два периода: движение по диску до встречи с лопастью и движение после встречи с лопастью. Как показали исследования [81], частица первоначально движется по некоторой кривой, близкой к логариф-

мической спирали, до тех пор, пока не встретится с лопастью. Дальнейшее ее движение происходит вдоль лопасти либо без удара как по направляющей, либо с ударом. Если же при встрече частицы тука с лопастью произойдет упругий удар, то характер движения такой частицы будет совершенно иной. После отражения от лопасти частица пролетит некоторое время и вновь упадет на диск, после чего она снова начинает свое относительное движение по поверхности диска, но уже по другой траектории. Если время выхода частицы из сферы воздействия диска будет больше времени поворота лопасти от момента удара до момента пересечения лопастью новой траектории, то лопасть вновь нагонит эту частицу и произойдет вторичный удар. Наилучший кинематический режим будет, очевидно, такой, при котором частицу тука будет нагонять конец лопасти, так как при этом частица получит максимальную начальную скорость полета и рассева. Увеличение средней дальности полета частиц способствует более равномерному распределению туков по поверхности поля.

Исследованиями [107, 108, 109] установлено, что равномерность распределения минеральных удобрений по поверхности поля нарушается при неупорядочном слете их с центробежного диска, а также при увеличении плотности потока сошедших с диска частиц туков свыше некоторого значения, когда степень влияния частиц друг на друга значительно возрастает. Этот вывод авторов говорит о том, что равномерность распределения минеральных удобрений плоскими центробежными дисками невелика, так как основная масса туков сходит у них с выбросных лопастей и плотность потока сошедших частиц при этом значительна. Однако характер движения материала по рабочему органу зависит не только от выбранного режима работы, но и от его конструкции.

Исследованиями [115, 116] установлено, что для получения большей ширины захвата разбрасывателя и хорошей равномерности распределения туков по поверхности поля, конструкция рабочего органа должна быть до-

полнена элементами, предохраняющими сход частиц от первичного удара и пересыпания их через лопасти.

Третья фаза рабочего процесса разбрасывателя начинается с того момента, когда частица находится на краю лопасти или диска и продолжается до момента падения этой частицы на почву. Эта фаза процесса находится в непосредственной связи с конечным результатом работы разбрасывателя -качеством распределения туков и его производительностью.

Работа дискового рабочего органа с прямыми лопастями характеризуется известной неравномерностью распределения материала по поверхности почвы, так как частицы сходят с диска не по всему его периметру, а только в тех точках, где расположены концы лопастей. Материал разбрасывается лопастями отдельными струями и ложится на поверхность почвы концентрическими кругами. В силу того, что лопасти на диске расположены с некоторыми интервалами, а машина двигается вперед непрерывно, образующиеся круги рассева располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это свидетельствует о наличии пульсирующей подачи. Поэтому, учитывая вышеизложенное, в основу теоретического обоснования формы рабочей поверхности центробежного рабочего органа нами положена предпосылка о непрерывном сходе частиц удобрений с рабочей поверхности ротора от момента поступления до момента конечного схода. То есть, поток удобрений, поступающих на рабочий орган, должен быть близок к регулярному. Кроме того, нами учтено требование о том, что поступление частиц туков на рабочий орган должно происходить без удара и разрушение гранул.

Профессор М.Х. Пигулевский, отмечает сыпучесть активную и пассивную. Активная сыпучесть определяется таким состоянием тела, когда отдельные частицы его удерживаются в состоянии равновесия за счет трения на опорных поверхностях. Тело, обладающее активной сыпучестью, способно принять форму конуса [73]. Следовательно, рабочий процесс такого аппарата должен характеризоваться наличием двух фаз (рис 2.1). В первой фазе частицы удобрений должны взаимодействовать с рабочей поверхностью исполни-

тельного элемента. Во второй фазе, частицы, получив необходимую скорость, должны совершить свободный полет в воздушной среде и распределяться по поверхности почвы.

Рис. 2.1 - Схема процесса непрерывного схода частиц удобрений

Учитывая закономерности движения сыпучих материалов по опорной поверхности, следует, что если в первой фазе рабочего процесса частицы удобрений пустить вдоль конической поверхности, то, следовательно, это обеспечит не только движение частиц без удара, но и предотвратит разрушение гранул. Поток материала, поступивший на вершину конуса, распределяется равномерным слоем и движется вниз по конусной части рабочего органа. Коническая часть рабочей поверхности центробежного аппарата не только обеспечивает движение частиц без удара, но и отрыв их с разных точек поверхности, так как радиус рабочей поверхности к ее основанию увеличивается. Отрыв частиц туков от рабочей поверхности центробежного аппарата может произойти лишь тогда, когда проекция действующих на частицу сил, на нормаль N будет равна нулю.

Дифференциальное уравнение отрыва частиц, движущихся по вогнутой поверхности, при ее одновременном вращательном движении, запишется в

виде [86,96]:

Н ₊ Р_ю2 dx__pdy _{= 0 ? (21)}

g ^е ds ds

где Р- масса частиц, Н;

g - ускорение силы тяжести, м/с ;

о)_е - угловая скорость вращения, с"¹;

х, у - текущие координаты линий вращения, мм.

Считая координату X независимой переменной и учитывая, что в момент отрыва нормальная реакция N=0, из уравнения 2.1 установим зависимость y=f(x).

(2.2)

(2.3)

откуда

|y| = e^x. (2.4)

Анализируя полученное уравнение (2.4), можно сделать вывод, что с целью обеспечения непрерывного отрыва частиц удобрений, поверхность конусной части рабочего органа должна быть образована вращением логарифмической кривой вокруг вертикальной оси. Увеличение угловой скорости рабочего органа окажет положительное влияние на технологический процесс, т.к. в этом случае будет достигнуто более равномерное распределение частиц туков по поверхности поля за счет большой дальности их полета. К тому же, коническая часть рабочего органа, образованная вращением одной из линий, изображенных на (рис.2.2) вокруг оси ОХ, позволит исключить явление упругого удара частиц о рабочую поверхность в момент поступления их на центробежный аппарат и обеспечить направленное движение их вниз по образующей. Характер кривых идентичен и в большой мере зависит от величины угловой скорости рабочего органа. Поэтому, во время работы центробежного рабочего органа при внесении минеральных удобрений и извести, угловую скорость вращения необходимо поддерживать постоянной. При снижении величины угловой скорости будет нарушена непрерывность схода частиц туков с конической части рабочего органа.

По уравнению (2.4) нами построены зависимости y=f(x) при различных значениях угловой скорости рабочего органа (рис.2.2).

Во время работы удобрения поступают на центробежный рабочий орган потоком. При этом распределение мелких, средних и крупных частиц туков по толщине слоя случайное. Отрыв частиц с рабочей поверхности центробежного аппарата происходит за счет постоянного возрастания окружной скорости и изменения центробежной силы инерции. Центробежная сила инерции ц, достигнув определенной величины, отрывает частицу тука от конической поверхности раньше, чем она достигнет нижней части рабочего органа. Частицы удобрений меньшей массы будут сходить с рабочей поверхности раньше, чем частицы большей массы.

Y,MM 500

40 80 120 160 200 %_ш

Рис. 2.2 - Форма кривых, образующих коническую часть рабочего органа 1-при со = 15,0с'¹; 2-присо=20,Ос''; 3-при со = 31,0с'¹;

Однако нужно учитывать, что в слое минеральных удобрений под более крупными находятся и мелкие частицы, которые отрываются от рабочей поверхности только тогда, когда сойдут более крупные. При этом частицы менее крупные получают большую скорость схода, чем если бы они двигались по верхнему слою удобрений, а, следовательно, и большую дальность полета. Такое движение туков по конической части рабочего органа способствует более качественному распределению удобрений по поверхности поля независимо от гранулометрического состава туков. Частицы удобрений, не оторвавшиеся от конической поверхности, будут продолжать свое движение по нижней части рабочего органа до выброса их лопастями.

2.2 Движение частиц удобрений по конической поверхности рабочего органа

Для описания движения частиц удобрений по конической поверхности рабочего органа воспользуемся дифференциальным уравнением относительного движения [10].

Для этого изобразим частицу тука в промежуточном положении (рис. 2.3.) в предположении, что она движется вниз по образующей конической поверхности. Образующая рабочей поверхности представляет собой линию пересечения плоскости, проходящей через ось вращения и точку М. При этом на частицу действуют сила веса частицы Р и нормальная реакция поверхности N. Так как движение частицы тука по поверхности сложное, то наряду с указанными силами, еще действуют сила инерции в переносном движении и Кориолисова сила инерции.

Центробежная сила инерции F_ue равна:

F_ue=mV_e=-c^y > (2.5)

где V_e - переносная скорость движения частиц удобрения, м/с;

т- масса частиц, г.

Кориолисова сила инерции направлена перпендикулярно образующей и касательно к конической поверхности рабочего органа:

F =2-ш Vsinf^Av); (2.6)

К g е Г \ Є XJ

где V_r - относительная скорость движения частиц удобрений, м/с. Сила трения скольжения от действия нормальной реакции:

F =fN. (2.7)

Сила трения скольжения от действия силы инерции Кориолиса:

F = 2f-со Vsinf ^AV V (2.8)

тр(к) о е г V є X)

—і

Центробежная сила инерции обусловлена радиусом кривизны рабочей поверхности:

F =<; (2.9)

"Р р

где р -радиус кривизны рабочей поверхности, мм.

Для составления уравнения движения частицы удобрения по конической поверхности рабочего органа выберем две системы координат. Одна из них ХОУ, неразрывно связанная с конусом, является инерциальной и распо-

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

ложена так, что ось ОХ совмещена с осью вращения рабочего органа, а ось ОУ проходит через начальное положение частицы на конусе. Неинерцио-нальная система координат представляет собой оси естественного триэдра тДв.

Рис. 2.3 - Силы, действующие на частицу удобрений, движущуюся по конической поверхности рабочего органа

Учитывая то, что в начальный момент движения частицы по рабочей поверхности относительная скорость невелика, а радиус кривизны образующей рабочей поверхности имеет большое значение, то можно предположить, что центробежная сила инерции от кривизны рабочей поверхности незначительна и при расчете не учитывается. В этом случае дифференциальное уравнение, движения частицы тука по рабочей поверхности в проекциях на естественные оси координат будут иметь следующий вид:

г*- = Pcos a + F sin а - F '>

g dt ue тр

— = N + F_uecosa-Psinal

g P

0 = F„ -F

тр(с) "

(2.10)

Подставив в уравнение (2.10) значение действующих на частицу сил и учитывая, что центробежная сила инерции от кривизны рабочей поверхности незначительна и ее значением можно пренебречь, будем иметь:

P_{L =} pdx ₊ P_a)2_y^L__fN. (2.11)

g dt ds e -¹ ds

Так как при отрыве частицы от поверхности нормальная реакция N=0, то уравнение (2.11) можно записать следующем образом:

P^dv_{r p}dx Р 2 dy п ir>

g at as у _e as

p Сократив левую и правую части уравнения (2.12) на —, а также учиты-

dS вая, что относительная скорость v_r = —, получим:

VdV=gdx+Q)_e²ydy. (2.13)

Уравнение (2.13) представляет собой дифференциальное уравнение относительной скорости движения частицы удобрений по конической поверхности рабочего органа.

Проинтегрировав уравнения (2.13), получим

^=gx₊co_e²|₊C; (2.14)

где С - произвольная постоянная.

Частицы удобрений подаются на поверхность рабочего органа с некоторой скоростью V = V и при Х=0, У=1, постоянная С будет: ^{г г}0

V ² 2

С = -—^. (2.15)

Тогда уравнение (2.14) примет следующий вид

(0

2 ⁶ e 2 2

.2,,2

2 _

V^z=2gx + coV+V ^-co^z,

г e' r e

откуда

V = /2gx+co²y² + V ²-ю²

(2.16)

Уравнение (2.16) представляет собой зависимость относительной скорости движения частиц по конической поверхности рабочего органа от его режимов работы и параметров X и У.

Параметры рабочего органа X и У взаимосвязаны между собой уравнением (2.4). По уравнению (2.16) построен график зависимости относительной скорости V_r движения частиц удобрений при различных значениях параметров X и У и угловой скорости ротора ю_е-

м/с

і*1ш

Рис. 2.4 - Зависимость относительной скорости V_r движения частиц по конической части от формы поверхности 1 -при со= 15,7с'¹; 2-при й>=62,8с"'; 3-при <у=94,2с"^к График зависимости относительного движения частиц показан на рис. 2.4. Анализируя полученные зависимости (рис.2.4), можно сделать вывод, что

с увеличением параметров Х,Уий)₍ величина относительной скорости движения частиц V_r по конической поверхности центробежного аппарата непрерывно возрастает.

Зная начало и конец схода частиц удобрений с конической поверхности рабочего органа, а также скорость схода в определенных точках, можно определить дальность полета частиц с любой точки образующей конуса.

2.3 Движение частиц удобрений вдоль лопасти по конической поверхности рабочего органа

При движении частицы удобрений вдоль лопасти учитываем, что радиус кривизны лопасти равен кривизне поверхности. Следовательно, величиной центробежной силы инерции от кривизны поверхности можно пренебречь и дифференциальное уравнение движения частиц по поверхности выбросной лопасти получаем аналогичным путем с учетом трения частиц о поверхность лопасти (рис.2.5).

Дифференциальное уравнение движения частиц удобрений вдоль лопасти по конической поверхности будет иметь следующий вид:

pdV_r

-^- = Pcos a + F_ue sin а - F^ - F^ ;

0 = N'+F cosa-Psina, (2.17)

0 = F_K-N_K. (2.18)

где F_ue - центробежная сила инерции, H; F_Uk_ сила инерции Кориолиса, Н. Зная, что сила инерции Кориолиса в данном случае

F, =2-0) V sin а' (2-19)

(кк) per

в л

а в уравнении (2.19)

F = N »

к к

то сила трения частицы о поверхность лопасти от действия силы инерции Кориолиса будет равна:

F =fN ,

тр(к) к

^FTP(K)=^2fJ^M_e^Vr>«'

Так как принятая форма рабочей поверхности центробежного аппарата постоянно сохраняет нормальную реакцию N=0, то, следовательно, Е^ = fN, тоже равна нулю.

Рис. 2.5 - Силы, действующие на частицу удобрений, при движении вдоль лопасти по конической поверхности рабочего органа

Подставляя полученные значения сил в уравнение (2.17) будем иметь:

(2.20)

р ^г Р

r-^-Pcosa + F sina-2f—со V sina

_g dt ue _g e г_л

В уравнение (2.20) заменим значения cosa и sina через их производные и получим:

dy.

^₌р^₊Рсо2у^1_2ґ ._{ш v}

g dt ds ^e ds g є г_л ds

Сократив левую и правую части данного уравнения на —и учитывая,

что v_r = — получим: л at

V dV =gdx+o)Vy-2fc) V dy,

л л л

(2.21)

Уравнение (2.21) представляет собой дифференциальное уравнение относительной скорости движения частиц удобрений вдоль лопасти по конической поверхности рабочего органа.

Если в уравнении (2.21) заменить значение У через X, а затем, разделив левую и правую части на dx, будем иметь:

2со²

V V =g + --e ^g -2f-5-V

g g

Влияние неравномерности внесения удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур

Кризис аграрного сектора экономики России в 90-е г.г. вызвал резкое уменьшение применения минеральных удобрений. Это привело к снижению плодородия почвы, отрицательному балансу питательных веществ в земледелии, ухудшению фитосанитарного состояния посевов и как следствие падению урожайности сельскохозяйственных культур. Выход из сложившегося положения видится в возращении к интенсификации на базе разумного научно-обоснованного применения удобрений, мелиорантов и средств защиты растений. Основополагающие критерии современных технологий - сохранение и повышение почвенного плодородия, ресурсосбережение, экологическая безопасность продукции и охрана окружающей среды. Поэтому, изучение эффективных энергосберегающих приемов обработки почвы, доз минеральных удобрений и средств защиты растений в конкретно почвенно-климатических условиях - актуальная задача современного земледелия.

Для каждой сельскохозяйственной культуры в конкретных природно-климатических условиях существует оптимальная доза внесения удобрений, соответствующая их максимальной окупаемости. Равномерное внесение удобрений по поверхности почвы - одно из условий, повышающих их эффективность и устраняющих пестроту урожая в пределах поля. Поэтому агротехническими требованиями [70] допускается неравномерность распределения удобрений по ширине захвата центробежного разбрасывателя не выше ± 25%, по ходу движения агрегата - до ±10%. От характера распределения дозы по полю зависит средняя урожайность сельскохозяйственных культур. С ростом неравномерности внесения удобрений значительно ухудшается отзывчивость растений на удобрения.

Неравномерное внесение удобрений оказывает влияние на свойства урожая (снижает его технологические и биологические достоинства, способствует накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах), а также приводит к загрязнению окружающей среды. Доказано, что режим питания растений предопределяет такие технологические качества сельскохозяйственной продукции, как длина и крепость волокна льна, конопли, хлопчатника и других культур, содержание крахмала в картофеле, количество кислот в растительных жирах, содержание алкалоидов в лекарственных растениях. Неоднородность почвенного плодородия, обусловленная неравномерным распределением удобрений, часто является основной причиной полегания посевов зерновых колосовых культур даже при возделывании сравнительно устойчивых к полеганию сортов. По данным ВНИИТЭИСХ, потери от полегания хлебов выражаются прямыми потерями урожая зерна и в отдельные годы достигают 25-60% [28]. Полегание затрудняет механизированную уборку зерновых культур, снижает технологические свойства зерна, и, кроме того, полеглые растения сильнее поражаются болезнями.

По многолетним опытам ЦИНАО, проведенным в девяти областях страны, вследствие неравномерного внесения удобрений снижение биологической урожайности ярового ячменя, озимой и яровой пшеницы, сахарной свеклы, кукурузы и овса составляет более 13%. Это обусловлено тем, что неравномерно удобренное поле представляет собой совокупность различных участков (пятен) поля. Количество питательных веществ на этих участках колеблется около средней дозы внесения. Одни участки по отношению к этой дозе удобрены недостаточно, другие, наоборот, сверх меры. Растения на разных участках по-разному развиваются и в конечном итоге дают неодинаковую урожайность.

Анализ модельных полевых опытов дает более отчетливое представление о действии неравномерного распределения удобрений на урожайность растений. Для оценки совокупного влияния различных проявлений неравномерного внесения удобрений на издержки можно использовать структурную схему, приведенную на рис. 1. Применение высоких доз удобрений приводит к возрастанию риска, связанного со снижением урожайности в связи с некачественным их внесением.

Повышение плодородия тесно связано и с поддержанием оптимальной реакции почвенной среды, которая достигается путем известкования. Очень важно равномерно распределять кроме удобрений и известь по полю. При неравномерном размещении эффективность ее значительно снижается. Следует учитывать, что известкование, несмотря на многогранность своего действия, не является полноценным приемом при возделывании сельскохозяйственных культур. Оно улучшает в условиях подзолистых почв общий агро технический фон, на котором с помощью минеральных удобрений можно добиться получения высоких и устойчивых урожаев.

Академик ВАСХНИЛ Т.Н. Кулавская [60] указывает, что известкование почвы, внесение удобрений и повышение агротехнического уровня - необходимое условие действия минеральных удобрений и роста урожайности сельскохозяйственных культур. Известкование, как один из ведущих приемов окультуривания почв, должно проводиться опережающими темпами по сравнению с ростом использования минеральных удобрений. Постоянно возрастающий объем применения минеральных удобрений требует максимального роста темпов известкования.

Однако по данным ряда авторов [15, 76], качество внесения известковых материалов, как и качество внесения минеральных удобрений, в большинстве своем не соответствуют агротехническим требованиям. Необходимо отметить и то, что известь является длительно действующим веществом, и от качества ее внесения в почву зависит урожайность сельскохозяйственных культур на протяжении ряда лет. Кроме сложных и простых удобрений, в сельском хозяйстве широко используются смешанные, которые позволяют применить туки в разных природно-климатических условиях и с любым соотношением питательных элементов [12, 23, 51, 64, 65].

Внесение минеральных удобрений в смешанном виде экономически выгодно, т.к. позволяет снизить затраты труда в 2-2,5 раза на единицу площади в сравнении с раздельным внесением каждого компонента смеси [64].

Движение частиц удобрений по конической поверхности рабочего органа

Рабочий процесс центробежного рабочего органа характеризуется наличием трех фаз. К первой фазе относятся встреча частицы удобрений с поверхностью диска и лопасти. Ко второй фазе отнесем ту часть процесса, в пределах которой частицы находятся на рабочей поверхности диска. К третьей фазе отнесем ту часть процесса, когда частицы материала, получив необходимую скорость, покидают диск и совершают свободный полет до соприкосновения их с поверхностью почвы.

Рассматривая первую фазу рабочего процесса, встречу частиц удобрений с поверхностью диска и лопастями, многие исследователи утверждают, что частицы туков поступают на центробежный рабочий орган с начальной скоростью в пределах 1,5-4 м/с [105]. В результате этого соприкосновение частицы туков с поверхностью диска сопровождается ударом. От величины скорости падения и массы гранул зависит ударный импульс. Ударный импульс в свою очередь влияет на дальнейший характер движения частиц удобрений по рабочей поверхности диска. Чем больше величина ударного импульса, тем меньше скорость схода частиц удобрений с диска, что может привести к дополнительному удару со стороны лопастей. С процессом отражения гранул от поверхности диска и лопастей имеет место процесс их разрушения, который зависит как от технологических свойств удобрений, так и от параметров разбрасывающих дисков. С увеличением начальной скорости падения частиц отражение гранул возрастает. Следовательно, первая фаза рабочего процесса сопровождается упругим ударом. Кроме того, значительный диапазон изменения частоты вращения диска увеличивает этот процесс, что приводит к дроблению гранул.

Вторая фаза, т.е. относительное перемещение частиц удобрений по диску подразделяется на два периода: движение по диску до встречи с лопастью и движение после встречи с лопастью. Как показали исследования [81], частица первоначально движется по некоторой кривой, близкой к логарифмической спирали, до тех пор, пока не встретится с лопастью. Дальнейшее ее движение происходит вдоль лопасти либо без удара как по направляющей, либо с ударом. Если же при встрече частицы тука с лопастью произойдет упругий удар, то характер движения такой частицы будет совершенно иной. После отражения от лопасти частица пролетит некоторое время и вновь упадет на диск, после чего она снова начинает свое относительное движение по поверхности диска, но уже по другой траектории. Если время выхода частицы из сферы воздействия диска будет больше времени поворота лопасти от момента удара до момента пересечения лопастью новой траектории, то лопасть вновь нагонит эту частицу и произойдет вторичный удар. Наилучший кинематический режим будет, очевидно, такой, при котором частицу тука будет нагонять конец лопасти, так как при этом частица получит максимальную начальную скорость полета и рассева. Увеличение средней дальности полета частиц способствует более равномерному распределению туков по поверхности поля.

Исследованиями [107, 108, 109] установлено, что равномерность распределения минеральных удобрений по поверхности поля нарушается при неупорядочном слете их с центробежного диска, а также при увеличении плотности потока сошедших с диска частиц туков свыше некоторого значения, когда степень влияния частиц друг на друга значительно возрастает. Этот вывод авторов говорит о том, что равномерность распределения минеральных удобрений плоскими центробежными дисками невелика, так как основная масса туков сходит у них с выбросных лопастей и плотность потока сошедших частиц при этом значительна. Однако характер движения материала по рабочему органу зависит не только от выбранного режима работы, но и от его конструкции.

Исследованиями [115, 116] установлено, что для получения большей ширины захвата разбрасывателя и хорошей равномерности распределения туков по поверхности поля, конструкция рабочего органа должна быть дополнена элементами, предохраняющими сход частиц от первичного удара и пересыпания их через лопасти.

Третья фаза рабочего процесса разбрасывателя начинается с того момента, когда частица находится на краю лопасти или диска и продолжается до момента падения этой частицы на почву. Эта фаза процесса находится в непосредственной связи с конечным результатом работы разбрасывателя -качеством распределения туков и его производительностью.

Работа дискового рабочего органа с прямыми лопастями характеризуется известной неравномерностью распределения материала по поверхности почвы, так как частицы сходят с диска не по всему его периметру, а только в тех точках, где расположены концы лопастей. Материал разбрасывается лопастями отдельными струями и ложится на поверхность почвы концентрическими кругами. В силу того, что лопасти на диске расположены с некоторыми интервалами, а машина двигается вперед непрерывно, образующиеся круги рассева располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это свидетельствует о наличии пульсирующей подачи. Поэтому, учитывая вышеизложенное, в основу теоретического обоснования формы рабочей поверхности центробежного рабочего органа нами положена предпосылка о непрерывном сходе частиц удобрений с рабочей поверхности ротора от момента поступления до момента конечного схода. То есть, поток удобрений, поступающих на рабочий орган, должен быть близок к регулярному. Кроме того, нами учтено требование о том, что поступление частиц туков на рабочий орган должно происходить без удара и разрушение гранул.

Лабораторно-полевые исследования

Результаты лабораторно-полевых экспериментов необходимы для анализа случайных процессов и законов распределения основных параметров, характеризующих технологический процесс работы агрегата в зависимости от внешних факторов. Для выполнения программы экспериментальных исследований нами была изготовлена лабораторно-полевая экспериментальная установка с предлагаемым рабочим органом (рис.3.2).

Лабораторно-полевая экспериментальная установка состоит из бункера с предохранительной сеткой 1, ротационного сводоразрушителя 2, дозирующего устройства 3, центробежного туковысевающего аппарата 4, редуктора с рьшагом переключения передаточного отношения 5, карданного вала 6, рамы 7, отражательного щитка 8, механизма навески 9. Бункер сварной, изготовлен из листовой стали. К нижней конической части его приварено дно с отверстием для питателя. Сверху бункер может закрываться сеткой. Бункер установлен на раме машины. Питатель состоит из диффузора, рыхлителя и регулятора. Диффузор представляет собой цилиндр, вваренный в отверстие дна бункера. К верхнему концу цилиндра приварен конус с отверстием для выхода вала центробежного рабочего органа. При этом цилиндр имеет два прямоугольных окна, выходящих к питательной щели между дном бункера и нижней кромкой рыхлителя, укрепленного на конце вала центробежного рабочего органа. Рыхлитель представляет собой коническую головку с двумя спиральными витками, приваренными снаружи. Витки рыхлителя направлены против вращения вала, благодаря чему при вращении рыхлителя удобрения непрерывно отбрасываются спиральными витками к окну и интенсивно перемешиваются; при этом удобрения проходят через прямоугольные дозирующие окна диффузора. Регулятор дозирования имеет цилиндрическую заслонку с двумя окнами, как в диффузоре, установленную подвижно внутри цилиндрической части диффузора. Заслонки двумя штифтами, выходящими через прорези в диффузоре, шарнирно соединены с рукояткой регулятора, имеющего стрелку для определения величины открытия окна в диффузоре.

Центробежный рабочий орган состоит из двух частей - направляющей конической части и плоского диска. На конической части установлены прямые, а на плоском диске - криволинейные выбросные лопасти. Частота вращения рабочего органа устанавливается изменением передаточного отношения рукояткой на редукторе. Редуктор цилиндроконический с вертикально расположенным выходным валом, состоит из цилиндрических и конических зубчатых колес, смонтированных в литом чугунном корпусе. Входной вал редуктора соединен через карданную передачу с валом отбора мощности трактора, выходной - с валом центробежного рабочего органа. Во время ра боты машины ворошитель питателя, вращаясь, подает удобрения к дозирующим отверстиям диффузора. Отсюда удобрения по направляющим подаются на вершину конической части рабочего органа. При вращении рабочего органа верхняя часть конуса принимает на себя поток материала, распределяет его равномерным слоем и обеспечивает направленное движение частиц вниз по конусной рабочей поверхности.

Часть материала сходит с небольшой скоростью с конической части рабочего органа и распределяется на близкое расстояние от оси движения агрегата. Часть же материала продолжает свое движение в межлопастном пространстве, вдоль лопастей и выбрасывается на среднее и дальнее расстояние.

В основу проведения экспериментальных исследований в полевых условиях нами была положена методика испытания машин для внесения твердых минеральных удобрений, известковых материалов и гипса [59].

Для оценки равномерности поверхностного распределения минеральных удобрений и извести экспериментальной установкой по ширине захвата и по ходу движения сбор удобрений производили в противни размером 0,5x0,5x0,1 м. Противни расставляли на ровном участке плотно друг к другу в три ряда с расстоянием между рядами 5м (рис.3.4).

По линии прохода колес трактора противни не ставили. Принятые нормы внесения для каждого вида удобрений определяли отдельно.

Математические модели технологического процесса распределения удобрений и извести по поверхности поля

С учетом проведенных теоретических и экспериментальных исследований, было установлено, что на качество распределения минеральных удобрений и известковых материалов центробежным аппаратом наибольшее влияние оказывают такие факторы как: физико-механические свойства, рабочая скорость, норма внесения и ширина захвата. Для полного определения работоспособности предлагаемого рабочего органа нами проведены исследования его на экспериментальной установке в полевых условиях.

Для оценки влияния вышеуказанных факторов на технологический процесс поверхностного распределения минеральных удобрений и известковых материалов, а также установления оптимальных режимов работы экспериментального агрегата нами проведены опыты по схеме ортогонального планирования второго порядка [6]. Результаты опытов позволили получить зависимости неравномерности распределения разных видов минеральных удобрений и известковых материалов от вышеуказанных факторов.

Для получения математической модели неравномерности распределения удобрений и известковых материалов опыты проводили по плану, представленному в приложении 1. Согласно этого плана для экспериментальной установки задавали необходимые варианты уровней изучаемых факторов (табл. 3.1). Для уменьшения ошибки план был реализован в трехкратной повторное. Обработку результатов эксперимента вели в соответствии с методикой проведения опытов. Результаты опытов по исследованию поверхностного распределения минеральных удобрений и известковых материалов представлены в приложениях, а графики неравномерности распределения на рис. 4.2.

Из графика 4.2 следует, что качество распределения гранулированного суперфосфата по ширине захвата экспериментальным разбрасывателем во всех проведенных опытах высокое и неравномерность внесения ниже агротехнически допустимой нормы. На ширине захвата агрегата при изменении скорости движения от 1,5 до 3,0 м/с и нормы внесения гранулированного суперфосфата от 200 до 500 кг/га неравномерность составила 17-20 %.

Анализ полученных результатов показывает, что качество поверхностного распределения аммиачной селитры по ширине захвата во всех опытах значительно выше, чем допускается агротехническими требованиями. На ширине захвата 15 м, при изменении скорости движения от 1,5 до 3 м/с и нормы внесения аммиачной селитры от 300 до 600 кг/га неравномерность распределения составила 10 - 15%. Улучшению показателей технологического процесса поверхностного внесения аммиачной селитры способствует бо лее выровненный гранулометрический состав по сравнению с гранулированным суперфосфатом.

Опыты показали, что на ширине захвата 15 м при изменении скорости движения агрегата от 1,5 до 3,0 м/с и нормы внесения хлористого калия от 160 - 260 кг/га неравномерность распределения составляет 13 - 15%. Можно отметить, что распределение удобрений по ширине захвата в основном ровное, с некоторой концентрацией в середине прохода агрегата.

Анализируя полученные результаты при внесении смеси удобрений, можно отметить, что на ширине захвата 15 м при изменении скорости движения агрегата от 1,5 до 3,0 м/с и нормы внесения в пределах 500 - 700 кг/га показатель неравномерности находится в пределах 15,0 - 18,0%. Показатель неравномерности распределения компонентов смеси на этой ширине захвата изменяется в более широких пределах. Сравнивая полученные результаты с данными на рассеве раздельно каждого компонента, можно заметить, что качество внесения смеси минеральных удобрений и распределения ее компонентов по ширине захвата агрегата вполне удовлетворяет агротехническим требованиям.

Опытами установлено, что ширина захвата разбрасывателя оказывает значительное влияние на качество распределения известковой муки (рис.4.3). Так на ширине захвата 8м при изменении скорости движения агрегата от 1,5 до 3,0 м/с и нормы внесения в пределах 1200 - 3000 кг/га показатель неравномерности составил 12,0 - 14,0%, в то время как на ширине захвата 12 м он находился в пределах 30-35 %. Если учесть, что серийные разбрасыватели на рабочей ширине захвата 7 м распределяют известковые материалы с неравномерностью ± 30%, то экспериментальная установка на этой ширине захвата обеспечивает качество внесения почти в 2,5 раза выше.

Таким образом, исследования показали, выше приведенные факторы оказывают влияние на технологический процесс поверхностного внесения минеральных удобрений и извести. Дальнейшая обработка результатов позволила установить степень влияния факторов на данный процесс. Обработку результатов исследований проводили в следующей последовательности: определяли коэффициенты регрессии уравнения математической модели, проводили статистический анализ результатов эксперимента и интерпретацию уровней регрессии.

Статистический анализ результатов проводили с целью проверки воспроизводимости экспериментов, определения статистической значимости коэффициентов регрессии и оценки адекватности полученной математической модели. Коэффициенты регрессии определяли методом наименьших квадратов. Воспроизводимость, то есть гипотезу равенства дисперсии выходной величины cr2{yg), проверяли по критерию Кохрена. Сравнивая полученное значение Gmax с табличным GTa6., принятым при числе степеней свободы л/\Ь = 2 и 4ЇЬ = 15 и уровне значимости q = 5%, делаем вывод, что гипотеза об однородности дисперсий достоверна.

Проверка гипотезы о значимости коэффициентов регрессии была проведена с помощью t-критерия Стьюдента, который сравнивает абсолютную величину коэффициента регрессии с ошибкой его определения. Если расчетное значение критерия Стьюдента tj t , то гипотеза о статистической значимости коэффициентов принимается. В противном случае гипотеза отвергается, коэффициенты принимаются равными нулю, и в окончательный вид модели не включаются. В связи с этим, а также учитывая, что ортогональное планирование позволяет определить все коэффициенты независимо друг от друга, незначащий коэффициент отбрасываем без пересчета остальных.

Похожие диссертации на Рациональные параметры центробежного рабочего органа разбрасывателя для поверхностного внесения минеральных удобрений

Повышение эффективности технологии внесения куриного помета совершенствованием рабочих органов и способов использования разбрасывателейЛукашин, Евгений Алексеевич

Обоснование параметров рабочих органов молотилки зерноуборочного комбайна с аксиально-роторной молотильно-сепарирующей системойБердышев Виктор Егорович

Обоснование параметров рабочих органов игольчатой бороны для обработки почвы на стерневых фонах Конищев Алексей Алексеевич

Обоснование технологии и параметров рабочих органов машины для внесения торфокомпоста в междурядья чайных плантаций Мотиашвили Василий Матвеевич

Обоснование параметров рабочих органов и режимов работы глубокорыхлителя и щелевателя почвы в условиях Украинской ССР Островский Василий Павлович

Разработка технологических параметров рабочих органов машины для формовки кустов хлопчатника Гулямов Хамидулла Хабибуллаевич

Разработка технологического процесса и обоснование параметров рабочего органа для сбора семян саксаула и черкеза Мамедов Перман

Совершенствование технологического процесса и обоснование параметров рабочего органа для измельчения стебельных кормов при их консервированииЭлли, Анатолий Яковлевич

Выбор типа и обоснование параметров рабочих органов для разрушения почвенного пласта при выкопке корневищ мяты Голоюс В.П.

Процесс посадки картофеля на склонах и обоснование параметров рабочих органов картофелесажалки Постоян Рафик Амазаспович