Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ вопроса, цель и задачи исследования
ГЛ. Основные агротехнические и технологические показатели предпосевной обработки почвы.9
1.2, Обзор,конструкциймашин для предпЬсевношобработкищочвы...11
1.2.1. Конструктивные особенности рабочих органов культиваторов... 15<
13. Классификация рабочих органов культиваторов 33>
1.4. Состояние исследований в областипредпосевнойобработки почвысрабочиморганом культиватора3&
1.5. Краткие выводы, цель и задачи исследования: '. .52
2 Теоретические исследования " ,.
2.1; Теоретический анализ'воздействия*рабочей поверхности и режущей кромки лапы культиватора на,почву; v^
2.1.1. Особенности воздействия рабочей поверхности лапы культиватора на почву...;..;. ... -^б
,2.1.2. Особенности воздействия режущешкромки лапы культиватора " на почву ... ...;... 69
2.2. Методика проектированияфабочего органа культиватора и обоснование его параметров 84
2.3. Расстановка рабочих органов на раме культиватора. 88
2.4. Получение.деформационногоіполяшриівзаимодействии рабочего органа с почвой . — 91
Выводы по разделу; . ... 94
3 Программа и методика экспериментальных исследований
а. методика лабораторных исследований 95
3.1. Цель и программа лабораторньіх.исследований. 95
3.2. Методика исследований по обоснованию конструктивных параметров рабочего органа культиватора 96
3.2.1. Методика определения физико-механических свойств почвы 96
3.2.2. Лабораторные исследования в почвенном канале ' 96
3.2.3. Методика планирования эксперимента 99
3.2.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 108
3.2.5. Определение погрешности измерений и повторности экспериментов 109
Б. Методика полевых опытов ПО
3.3. Цель и программа полевых опытов ПО
3.3.1. Методика исследования агротехнических показателей раб оты ". '. 111
3.3.2.Методика энергетической оценки культиватора с комбинированными рабочими органами 115
3.3.3. Методика обработки результатов полевых опытов "...116
3.3.4. Методика определения погрешности измерений и повторности экспериментов 117
4 Результаты экспериментальных исследований иих анализ а. результаты лабораторных исследований 122
4.1. Исследование и обоснование параметров рабочего органа культиватора 122
4.1.1. Обоснование ширины захвата лапы культиватора 122
4.1.2. Влияние высоты ножа — стабилизатора наэнергетические показатели работы 124
4.1.3. Влияние глубины обработки и скорости движения рабочего органа на его силовые характеристики ! 126
Б. Результаты полевых опытов 127
4.2. Исследования агротехнических показателей работы культиватора 127
4.3 .Энергетическая оценка рабочего процесса, выполняемогокул ьтиватором с комбинированными рабочими органами 133
5 Экономическая эффективность использования культиватора
5.1. Результаты производственных испытаний и их анализ 136
5.2 Расчет технико-экономических показателей использования культиватора с комбинированными рабочими органами 140
Общие выводы 145
Предложения производству 147
Литература : 149
Приложения 162
- Классификация рабочих органов культиваторов
- Получение.деформационногоіполяшриівзаимодействии рабочего органа с почвой
- Методика исследования агротехнических показателей раб оты
- Влияние глубины обработки и скорости движения рабочего органа на его силовые характеристики
Введение к работе
Актуальность темы. Главной задачей сельскохозяйственного производства является повышение эффективности всех его отраслей, обеспечение страны продовольствием и сырьем для перерабатывающей промышленности. Решение этих задач возможно только при наличии прогрессивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур и эффективной техники. Ведущее место здесь принадлежит разработке и внедрению машин с прогрессивными рабочими органами, которые могут обеспечить качественное выполнение технологического процесса при снижении его энергоемкости.
Кроме того, в этом отношении* актуальным является создание комбинированных почвообрабатывающих машин для совмещения- операций предпосевной обработки почвы, так как они выполняются в условиях дефицита продуктивной влаги, а также в. наиболее эрозионные опасные периоды. Внедрение таких машин сдерживается отсутствием надежных рабочих органов. Комбинированные агрегаты, созданные „ на базе традиционных рабочих органов,- имеют явные преимущества перед однооперационными орудиями [25,41,69]. В то же время, они не полностью отвечают современным требованиям сельскохозяйственного производства. Поэтому требуется переход на принципиально новые машины, рабочие органы которых используют прогрессивные принципы воздействия, на обрабатываемую среду [2,5,77,110] и должны обеспечить качественное выполнение агротехнических требований с сокращением до минимума промежуточные операции. При этом исключается чрезмерная деформация и распыление почвы. - \
Данная работа посвящена, разработке и исследованию комбинированного рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по программе Россельхозакадемии 09.01.02 1 . 7 «Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства приоритетных групп продукции растениеводства - зерновых, зернобобовых культур, многолетних трав и льна» по заданию 09.01.02.01 «Разработать высококонкурентоспособные почвообрабатывающие и посевные агрегаты».
Рассматриваемые в диссертации научные исследования выполнялись, в соответствии с Программой; фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006.. .2010 гг. Российской академии сельскохозяйственных наук (№ гос. регистрации 15070.7721022959;06:8.002.3).
Объекты; исследованиям Технологический? процесс предпосевнойI обработки почвы и комбинированные рабочие органы культиватора. . Предмет- исследований. Закономерности процесса взаимодействия? .рабочих элементов лапы; с почвой в зависимости от высоты ножа-стабилизатора, а также особенности воздействия- рабочей поверхности* и зубчатоголезвия рабочего органа культиватора на почву.
Методика исследований, fv гПри проведении теоретических исследований использовались законы земледельческой; механики^ методы прикладной математики, а также: .положения аналитической геометрии. Экспериментальные исследования, .проводились в лабораторных, лабораторно-полевых условиях , в5 соответствии с действующими общепринятыми методиками; Обработка экспериментальных данных проводилась при помощи методов а математической статистики и теории вероятности.
Научная; новизна;, Разработана конструкция и обоснованы параметры рабочего органа.. культиватора. Получены зависимости, позволяющие обосновать рациональную-форму рабочей-поверхности лапы и её зубчатой режущей; кромки. Выявлен характер процесса взаимодействия рабочих элементов лапы с почвой в зависимости от высоты ножа-стабилизатора, а также особенности воздействия рабочей поверхности и зубчатого лезвия рабочего органа культиватора на почву. Предложена методика проектирования рабочего органа культиватора. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами на изобретения. .
Практическая^ значимость. Проведенные исследования позволили создать культиватор с новыми рабочими органами, который, обеспечивает улучшение качества предпосевной обработки почвы и снижение энергозатрат. Результаты работы, аналитические зависимости ш теоретические выводы,' послужат дальнейшему совершенствованию рабочих органов культиваторов и могут быть использованы в производстве;.
Реализация^ результатові исследований; Вї БуинскойХ СХТ РТ/ изготовлены, опытные образцы агрегатов-' с предлагаемыми рабочими? органами, которые прошли производственные испытания в ООО , «Аксубаевская продовольственная корпорация» РТ и в Учебном г хозяйстве KFGXA и ведомственное испытание в Поволжской МИЄ. Производственные опыты показывают повышение урожайности сельскохозяйственных культур..
Исходя из изложенного; : и с;-учетом требований* к; диссертационным работам назащитувыносятся следующие основные положения: - конструктивная* схема рабочего, органа культиватора для предпосевной? обработки почвы; .:.::,. теоретический анализ рабочего процесса и научное обоснование конструктивных параметров рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы и методика проектирования криволинейной\ формы рабочей поверхности и зубчатой режущей кромки лапы культиватора; аналитические, зависимости :дляг определения вылета носка, высоты лапы=и ножа-стабилизаторами другихіпараметров лапы; - качественные, показатели работы. культиватора с новыми рабочими : органами и их влияниена формирование агротехнических показателей; -технико-экономические показатели работы культиватора и энергетические характеристики новых рабочих органов.
Апробация работы; Основные .положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на. научных конференциях Казанского ГАУ (2007-2011гг); ГНУ «Татарский НИИСХ» (2009г), ИНЭКА, г. Чистополь (2009г), где был отмечен дипломом. Разработанный рабочий орган культиватора экспонировал ся* на 14-ой международной специализированной выставке «АГРОКОМПЛЕКС: Интерагро. Анимед. Фермер Поволжья» и на 12-международной специализированной выставке «Энергетика. Ресурсосбережение».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе три статьи в ведущих рецензируемых научно-практических журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ и два патента РФ на изобретение и.один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, общих выводов» и содержит 199 страниц машинописного текста, в том числе 44 рисунка, 5 таблиц, 131 наименование использованной литературы и 38 страниц приложений.
1 АНАЛИЗ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Классификация рабочих органов культиваторов
Почвообрабатывающее орудие содержит установленные на раме стрельчатые лапы и расположенные за ними параллельные секции пшеков. Последние выполнены в виде пластинчатых двухзаходных пружин и имеют механизм регулирования их по высоте. При движении орудия лапы рыхлят почву на установленную глубину, а шнеки обрабатывают на глубину заделки семян. Шнеки также выравнивают верхний слой почвы в продольном и поперечном направлениях, уплотняют его в зоне заделки семян [26].
На основании анализа работы комбинированных почвообрабатывающих орудий следует указать, что они являются перспективными с точки зрения более полного удовлетворения требованиям, предъявляемым агрономической наукой ,к поверхностной обработке почв. Однако известные конструкции комбинированных машин и рабочих органов, в силу ряда причин конструктивного и технологического характера, не нашли пока широкого внедрения в производство. , . 1.3 Классификация рабочих органов культиваторов
Интенсификация технологического процесса предпосевной обработки почвы возможно только при использовании устройств, основанных на новых принципах воздействия их рабочих органов на обрабатываемую среду. Поэтому глубокое изучение таких органов представляет как теоретический, так и практический интерес.
Как известно, почвообрабатывающие орудия предпосевной обработки почвы характеризуются большим разнообразием конструкций, значительно отличающихся как по принципу действия, так и по конструктивному оформлению. Для обоснованного выбора перспективных рабочих органов необходима их систематизация по основным критериям выполнения технологического процесса и конструктивно-кинематическим особенностям.
Известные классификации по ограниченным признакам помогают решать лишь отдельные задачи, но не всегда дают возможность охватить все сочетания признаков, пригодных для синтеза, анализа и перспективного проектирования новых орудий. Указанным задачам- может удовлетворить система классификации рабочих органов по достаточно большому числу независимых признаков. Так, рабочий орган культиватора можно рассматривать как систему, состоящую из совокупности конструктивных, технологических и технико-экономических признаков, тесно связанных между собой. Например, форма рабочей поверхности лапы, стойки, операции выполняемые рабочими органами и т. д.
Нами разработана общая классификация рабочих органов культиваторов (рисунок 1.9) по конструктивным и технологическим признакам,.где в общем случае по конструктивным - рабочие органы культиваторов образуют три основные группы: пассивные, ротационные и комбинированные, а по технологическим - две группы: операции, выполняемые рабочими органами (1) и приспособлениями (2) к культиваторам, записанным в структурной последовательности. При этом данная классификация может служить трём , основным задачам: анализу, синтезу рабочих органов и систематизации, научно-технической, технико-экономической и другой информации по ним [90].
Для анализа и оценки структуры рабочих органов для поверхностной обработки почвы с точки зрения технико-экономической эффективности в основу их классификации, по нашему мнению, должно быть положено конструктивное, технологическое ; и .функциональное назначение, а для выявления различных служебных свойств совокупности рабочих органов разделять на классы, подгруппы, виды и т.д., можно по нескольким признакам.
При изучении рабочих органов обычно решают задачи анализа, а при проектировании — синтеза. Для анализа удобно рассматривать последовательность сверху вниз, сначала конструктивные, затем технологические признаки, а для синтеза — обратную последовательность: сначала технологические, потом конструктивные.
Получение.деформационногоіполяшриівзаимодействии рабочего органа с почвой
Рабочие органы культиватора можно представить состоящими из элементарных составляющих. Это позволяет, правильно понять теоретическую сущность действия лап на почвенный пласт. Указанный способ замены действия сложной поверхности действием элементарных клиньев находил свое применение в работах В.П. Горячкина [30] при рассмотрении теории косого клина и является чрезвычайно поучительным.
Новая лапа культиватора может быть представлена несколькими составляющими. Из них выделим три:
Первая составляющая — левое крыло лапы. По форме это косой клин, его положение определяется углами ocQip и YQ.
Вторая составляющая - правое крыло лапы. Аналогично с левым - косой клин в пространстве, с расположением углов а0,/3 и yQ по правую сторону от направления движения.
Третья составляющая - средняя часть лапы со стойкой. По форме эта составляющая рассматриваетсякак плоский клин с максимальным значением угла подъема а0 в верхней части груди лапы. Принимая во внимание. вопросы . перемещения почвы рабочей поверхностью лапы с ножами, в частности, вопросы деформации почвы элементарными клиньями, представим на схеме действие лапы на почвенный пласт в виде отдельных составляющих.1 На поверхности почвы имеем ширину: зоны деформации почвы от каждой составляющей. В] и В2 — ширина зоны деформации от действия соответственно правого и левого крыла. В — ширина зоны деформации от третьей составляющей лапы. , ; В процессе движения стрельчатой лапы почвенный; пласт подвергается суммарному действию рассматриваемых выше отдельных элементов рабочего органа. Чтобы представить, общую картину действия рабочего органа на пласт, воспользуемся графическим способом. Этот способ, по определению Т.М. Гологурского, -в вопросах движения почвенных частиц является более наглядным и достаточно точным. Рассчитав ширину зоны деформации на поверхности почвы от каждой составляющей лапы по соответствующим формулам (1.23); (1.25) и (1.26), а длину полосы деформации I и_1 по формулам (1.24; 1.27) произведем графическое сложение При сложении; учитывались данные о направлении складывания почвы по двум плоскостям скольжения, а также замечание о склонности наибольшего, развития; разрушения по внешней, а не по внутренней плоскости. Однако для уточнения1 - - контуров зоны деформации, производилось в отдельных местах сложение составляющих длины зоны деформации с учетом развития разрушения по внутренней плоскости скольжения. В процессе движения рабочего органа возможны разные направления разрушения, поэтому могут быть отдельные отклонения, от формы зоны деформации, полученной графическим способом. Но применение при построении сложения с учетом обоих направлений разрушения позволяет значительно приблизить форму зоны деформации почвы перед рабочим органом к фактической. На рисунке 2.13 представлена горизонтальная проекция распространения зоны деформации почвы от действия новой лапы.
Рисунок 2.13 — Горизонтальная проекция распространения зоны деформациипочвы от действия комбинированной лапы
Различаются следующие характерные участки на лапе:
ВС — участок от носка до границы действия зоны деформации от средней части лапы. Почва на данном участке подвергается комбинированной деформации от стойки, груди лапы и части крыла.
CF — участок от точки окончания действия комбинированной
деформации до конца лапы. Почва на этом участке подвергается действию крыла. Данная лапа является симметричным рабочим органом. Аналогичные участки будут характерны и для левой части [96].
Как видно из рисунка 2.13, на поверхности почвы зона распространения деформации имеет сложный вид. Вьщелим для одной половины лапы следующие характерные размеры зоны [14]:
Ак - ширина полосы .распространения зоны деформации от действия стойки лапы, ее груди и передней части режущей кромки.
Методика исследования агротехнических показателей раб оты
Агротехнические исследования проводились на дерново-подзолистой почве среднесуглинистого механического состава на полях Учебного хозяйства Казанского ГАУ и ООО «Аксубаевская продовольственная корпорация» РТ. В качестве объекта исследования служила экспериментальная установка, опытный образец машины для поверхностной обработки почвы .с комбинированными рабочими органами в агрегате с трактором МТЗ-82. Для сравнения агротехнических показателей работы использовался серийный культиватор КПС-4 с зубовыми боронами БЗСС-1 , а также культиватор КПС-4 с гладкими и зубчатыми ротационными рыхлителями почвы геликоидальной формы.
Опыты проводились по общепринятой методике согласно ГОСТов и ОСТов [47,34,79,82]. Программа \ агротехнической оценки работы комбинированных рабочих органові и машины в целом включена следующие вопросы:
а) изучение степени крошения;
б)исследование гребнистости, вспушенности, выравненное поверхности поля;
в) определение заглубляемостЕГ и устойчивости хода рабочих органов по глубине; ; .
г) определение высоты гребня между смежными рабочими органами и твердости дна борозды;
д) определение степени уничтожения сорной растительности;
е) определение урожая .зерна..
В результате проведенных: опытов производилась, окончательная оценка степени; совершенства комбинированных рабочих органов путем сравнения агротехнических показателей их работы и данных урожайности;.
Исследование степени- крошения? почвы. При; определении степени-крошения почвенные: пробы; брались, с участка! каждого; варианта опыта согласно1 общепринятой методике в.четырех местах по диагонали участка, соответствующих проходам агрегата в. обоих направлениях. Разделение почвы» на фракции производилшпо методике FOGT 29Ш-54, ОСТ 70 4.1 .-74. Кроме того; с целью определения распыления; почвы был определен ее агрегатный состав до и после прохода агрегата. При каждом опыте брали пять проб при помощи специально изготовленного почвенного бура из всего обработанного слоя:. Проба высушивалась, до ..воздушно-сухого состояния. Комки крупнее 25 мм отделяли, вручную, а оставшуюся- часть почвы просеивали через колонку сит й: взвешивали каждую? фракцию. При?- этом определяли количество пыли: (частиц диаметром меньше 0,25мм) и общее количество эрозионноопасных частиц размером до 1мм.
Исследование гребнистости и вспушенности пашни. Гребнистость пашни определялась путем: профилирования; Замеры проводились через каждые 5 см по всей ширине захвата агрегата. При этом одновременно проводилось и профилирование дна борозды. По этим данным . на миллиметровой бумаге вычерчивались. профили поля до и после прохода агрегата и дна борозды. По ним определялись гребнистость, вспушенность пашни и высота гребней на дне борозды, оставшихся между смежными рабочими органами.
Определение степени уничтожения сорной растительности. Степень уничтожения сорняков в зоне обработки определяли отношением количества растений, подрезанных после прохода агрегата, к количеству сорных растений, имевшихся до обработки на площади, ограниченной шириной захвата орудия и длиной, равной 0,5 м по ходу движения, в шестикратной повторности согласно ОСТ 70.2.15-73.
После прохода агрегата отдельно подсчитывали количество подрезанных сорняков в зоне обработки.
Определение урожая зерна. Конечным критерием оценки совершенства различных технологий является величина урожая. Учет урожая зерна производился путем использования пробных площадок и сплошной уборки прямым комбайнированием, согласно методике полевого опыта [34,81].
Методика энергетических исследований разрабатывалась в соответствии с основной задачей исследования, которая заключалась в сравнительной энергетической оценке работы культиваторов с комбинированными рабочими органами и КПС-4. Они проводились на дерново-подзолистой почве среднесуглинистого состава, влажностью в слое 0...0Д1 м -19,8% и плотностью 1,11 см . Выбор участка и подготовка к опытам, разбивка на делянки и проведение экспериментов, а также определение энергетических показателей работы проводились в соответствии с отраслевыми стандартами [78,81]. Длина учетного гона при тензометрировании принималась равной 100 м. Повторность опытов четырехкратная.
Установка была оборудована тяговым звеном культиватора, состоящего из двух тензометрических колец, датчиками оборотов колеса и времени. Регистрирующая аппаратура устанавливалась на тракторе МТЗ-82, а показания с тензометрических звеньев снимались с помощью гибкого экранированного кабеля и были фиксированы и обработаны на бортовом компьютере.
Тяговое сопротивление (Ркр) определяется с помощью информационно-измерительной системы ИП-238 (рисунок 3.5). Аппаратура ИП-238 устанавливается в кабине трактора на подставке или специальном кронштейне или на коленях у- инженера испытателя. Соединительный блок для подключения первичных преобразователей может находиться на полу трактора или на специальной подставке. Первичные преобразователи - подключаются к соединительному блоку с помощью кабелей. Соединительный блок подключается к аппаратуре с помощью единственного специального изолированного многожильного кабеля. Кабель питания подключается к соответствующему разъёму аппаратуры и бортовой сети трактора. 116 Тяговое усилие воспринималось спаренными тензометрическими кольцами. В экспериментах использовались тензодатчики марки ФКП-20-200, которые соединялись между собой по мостовой схеме.
Влияние глубины обработки и скорости движения рабочего органа на его силовые характеристики
Исследуемые культиваторы,; с; новыми рабочими органами использованные в полевых условиях оценивались- по агротехническим, энергетическим и технико-экономическим показателям- его? работы.- В результате полевые; опыты_по /.агротехнической оценке .работы данного орудия? проводились на дерново-подзолистой почве среднесуглинистого механического состава в широком, диапазоне скоростей поступательного движения;агрегата. Твердость прчвььв горизонтах 0...5, 5... 12см находилась в пределах 0,70.. ЛД5 MTIaj авлажностьЛ9і8% [98].
Результаты исследовании; показывают, что степень крошения почвы рассмотренными рабочими органами с і увеличением скорости поступательного движения такжет.возрастает, причем, при одних и-тех скоростях поступательного движения экспериментальный культиватор обеспечивает более высокие показатели, крошения, чем серийный агрегат. Так, при увеличении скорости от 3#:.Л2,0км/ч содержание частиц почвы диаметром 25 мм .и менее увеличилось от 68,0 до 84,0%, тогда как у серийного агрегата оно составило-54 5.. .74 2% (рисунок 4.4, приложение 4).
Основными показателями, характеризующими микрорельеф пашни и ее пригодность к посеву, являются гребнистость и выравненность поверхности почвы. Выявлено, что по мере увеличениям скорости обработки гребнистость почвы уменьшается. На скоростях движения культиватора с новыми рабочими органами 10;5..;12,5км/ч средняя высота гребней колебалась в пределах 2,9...3;8см, а показатель гребнистости не превышал 5,8%. У серийных агрегатов эти показатели были выше, соответственно в 1,4 и 1,8 раза.
С изменением глубины обработки, гребнистость поверхности поля после прохода экспериментального и серийного рабочих органов практически не отличались. При мелкой обработке "(3.-;5 см) высота гребней находилась в пределах 1,2...2,7 см, приглуб6кош(5:. .12 см) — в пределах 2,7.. .4,8см.
Кроме того, опыты показали; что степень выравненное поверхности поля с ростом; скорости движения до определенной величины улучшается (рисунок 4.5 приложение 3). При этом с повышением скорости экспериментальных рабочих органов до 10,5 км/ч этот показатель изменяется в пределах 84,6...89%. Это объясняется тем, что форма экспериментальных рабочих органов управляет траекторией- движения пласта по рабочей поверхности, снижая его угол схода с рабочих органові При обработке почвы новыми рабочими органами максимальная выровненность поля соответствует зоне скоростей движения 10,5...12,0км/ч. Увеличение скорости движения выше указанных пределов приводит к снижению показателя выровненности для всех рабочих органов. Это связано с уменьшением глубины их хода и увеличением дальности отбрасывания почвы.
Рисунок 4.5 - Изменение показателя выровненности поверхности почвы в зависимости от скорости поступательного движения агрегата
На рисунке 4.6 в виде графиков (приложение 3) приведены результаты исследования вспушенности почвы в зависимости от скорости движения экспериментального и контрольного агрегатов, а также от глубины обработки почвы.
Из графиков видно, что возрастание поступательной скорости исследованных культиваторов влечет за собой уменьшение показателя вспушенности почвы по вогнутой кривой. При этом высокий показатель вспушенности получается после обработки почвы экспериментальным агрегатом. Это объясняется лучшей крошащей способностью данных рабочих органов. Так, на скоростях движения 6,0...9,5км/ч показатель вспушенности у экспериментального культиватора на 1,9...3,3 раза выше, чем у контрольного культиватора.
