Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 7
1.1. Агротехнические требования, предъявляемые к технологическому процессу отвальной обработки почвы 7
1.2. Плуги, применяемые для выполнения технологического процесса основной отвальной обработки почвы 8
1.2.1. Плуги общего назначения 9
1.2.2. Оборотные плуги 11
1.2.3. Плуги с поворотными стойками для гладкой пахоты 13
L2.4. Фронтальные плуги 15
1.2.5. Ярусные плуги . 17
1.2.6. Комбинированные плуги 19
1.3. Результаты исследований плугов, применяемых для выполнения технологического процесса основной обработки почвы и их анализ 23
1.3.1. Плуги общего назначения 23
1.3.2. Оборотные плуги 24
1.3.3. Плуги с поворотными стойками для гладкой пахоты 26
1.3.4. Фронтальные плуги 28
1.3.5. Ярусные плуги 29
1.3.6. Комбинированные плуги 30
1.4. Выводы по разделу 31
1.5. Цель и задачи исследований 32
2. Теоретические предпосылки совершенствования технологического процесса основной отвальной обработки почвы с разработкой и обоснованием основных параметров новых рабочих органов и плугов 34
2.1. Удельные показатели, характеризующие работу пахотного агрегата 34
2.2. Сравнительный анализ работы плугов, применяемых для выполнения технологических процессов основной отвальной обработки почвы 36
2.3. Сравнительный анализ технологических процессов работы отвального корпуса плугов общего назначения и комбинированного корпуса плуга ПРНС-5+ПО-50 37
2.4. Обоснование энергосберегающего технологического процесса основной отвальной обработки почвы 47
2.5. Разработка и обоснование основных параметров новых рабочих органов и плугов для выполнения предложенного технологического процесса основной отвальной обработки почвы 50
2.6. Выводы по разделу 58
3. Программа и методика экспериментальных исследований 59
3.1. Программа экспериментальных исследований 59
3.2. Объект исследования 59
3.3. Технические средства, используемые для экспериментальных исследований 59
3.4. Методика проведения лабораторно-полевых исследований новых рабочих органов 65
3.5. Методика лабораторно-полевых исследований технологического процесса, выполняемого плугами с предлагаемыми рабочими органами 67
3.5.1. Определение качественных показателей технологического процесса, выполняемого плугами с новыми рабочими органами 68
3.5.2. Определение энергетических показателей технологического процесса, выполняемого плугами с новыми рабочими органами 71
3.5.3. Эксплуатационная оценка плугов с новым рабочим органом 75
3.5.4. Оценка надежности плугов с новыми рабочими органами 76
3.6. Методика обработки результатов исследований 76
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 78
4.1. Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований новых рабочих органов 78
4.2. Выводы по разделу 86
5. Результаты хозяйственных испытаний плугов с разработанными рабочими органами 87
5.1. Результаты и анализ испытаний плугаПО-4М 87
5.2. Результаты и анализ испытаний плуга НПО-6М 90
5.3. Результаты и анализ испытаний плугаПБК-3 94
5.4. Результаты и анализ испытаний плуга ПБК-5 102
5.5. Выводы по разделу 107
6. Расчет экономической эффективности плуга ПБК -3 109
6.1. Определение показателей экономической эффективности , ПО
6.2. Экономические показатели, формирующие основные параметры эффективности 113
6.3. Границы эффективного использования новой техники , 114
6.4. Экономическая оценка универсальных агрегатов 114
6.5. Выводы по разделу 115
Общие выводы 116
Список литературы 118
Приложения 125
- Плуги, применяемые для выполнения технологического процесса основной отвальной обработки почвы
- Обоснование энергосберегающего технологического процесса основной отвальной обработки почвы
- Методика проведения лабораторно-полевых исследований новых рабочих органов
- Определение показателей экономической эффективности
Введение к работе
Неудачное реформирование привело экономику
сельскохозяйственного производства России к тяжелейшему кризису. Валовая продукция уменьшилась в 1,5 раза, а сборы зерна в 2,4 раза. Сокращены поставки тракторов в 24 раза, Из-за этого хозяйства вынуждены были сократить посевные площади, использовать упрощенные технологии, растягивать агротехнические сроки полевых работ. Все это привело к «вынужденному залуженню пашни» [13] .
По оценке В.В.Коломейченко и Г.И.Дурнева площадь «бросовых» земель достигает 15-20 млн. га [36]. Однако, более точную цифру привел президент Российской Федерации - 33 млн. га. По Самарской области «брошенных полей» (выведенных из оборота) составляет более 10% (350 тыс. га.) [98].
На заброшенных полях происходит массовое размножение различных высоко и низко стебельных сорняков, формирование кустарно ~ древесных формаций. [37] Технология освоения целинных и залежных земель в 50-60 годы прошлого столетия базировались на агроприемах ввода крепких залежей, то есть последних стадиях залуження [87]. Анализ результатов исследований этой технологии, реализуемой лемешно-отвальными плугами, созданными в 50-60 годы и современными не применима для ввода в севооборот заброшенных полей, вследствие низких качественных и энергетических показателей применяемых технических средств [91, 92].
Заброшенные поля — начальная стадия залуження, с той лишь разницей, что в залежь вводятся плодородные почвы, характерная особенность которых - появление высокорослых растений - пионеров [103].
Поэтому необходимо рассмотреть какие требования предъявляются в настоящее время к технологическому процессу основной обработки почвы, в какой мере эти требования выполняются современными плугами, какие при этом энергозатраты и возможности применения этих плугов для обработки заброшенных полей [47].
Очевидно, что технологическое обоснование процесса обработки заброшенных полей должно базироваться на глубокой отвальной обработке почвы [17, 41, 86, 88]. При этом сокращение энергозатрат должно быть достигнуто за счет сокращения проходов (до одного) [26, 105, 107], а также увеличения ширины захвата плужного корпуса [32].
В связи с этим цель настоящей работы - снижение энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы, за счет применения плугов с новыми рабочими органами, обеспечивающих ввод в севооборот заброшенных земель и старопахотных почв.
На защиту выносятся следующие научные положения:
обоснование энергосберегающего способа основной отвальной
обработки почвы;
теоретическое обоснование технологического процесса для обработки
почвы заброшенных земель, выполняемых новыми рабочими органами;
теоретическое обоснование основных параметров новых рабочих
органов плугов для реализации энергосберегающей технологии;
результаты лабораторно-полевых исследований новых рабочих
органов;
результаты производственной проверки плугов с новыми рабочими
органами в сравнении с известными плугами и технико-экономической
оценки их применения.
Работа выполнена в соответствие с программой «Концепции развития сельскохозяйственного машиностроения в регионах ассоциации «Большая Волга. (Растениеводство)», утвержденной решением Совета Ассоциации «Большая Волга» № 2 от 27 января 1999 года. [38] и планом НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» по теме № 4 «Разработка технологического обеспечения аграрных технологий», раздел 4.2 «Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин для основной обработки почвы».
Плуги, применяемые для выполнения технологического процесса основной отвальной обработки почвы
На почвах с достаточным гумусовым горизонтом вспашка производится на глубину 20-30 см и легкая вспашка на глубину 12-20 см на почвах с малым гумусовым горизонтом, не превышающим 20 см.
Качество вспашки почвы на скоростях 6-12 км/ч должно удовлетворять принятым агротехническим требованиям.
Этим агротехническим требованиям должны удовлетворять в равной мере как существующие технологические процессы основной отвальной обработки старопахотных почв, которые выполняются корпусами плугов [5, 10, 11, 31, 96, 100], так и новые, способные выполнять технологический процесс отвальной обработки заброшенных полей, высота растительных остатков на которых превышает регламентируемый уровень - до 25 см, и достигает средней величины 80 см [7, 73, 102].
Согласно [10] новые рабочие органы будут целесообразны только в том случае, если их энергетические и агротехнические показатели на оптимальных скоростях не претерпят заметного отрицательного изменения по сравнению с серийными рабочими органами.
В настоящее время для выполнения отвальной обработки почвы применяют различные виды плугов. Эти плуги по конструкционному исполнению можно разделить на две группы: традиционные и специального исполнения (рис 1.1) [97].
Появление плугов специального исполнения вызвано дополнительными требованиями по совершенствованию технологического процесса основной отвальной обработки почвы.
Плуги общего назначения предназначены для выполнения технологии основной отвальной обработки почвы, а также применяются для безотвальной и послойной (комбинированной) обработки почвы, путем замены отвальных корпусов на безотвальные (корпуса обтекаемой формы без крыла отвала или стойки СибИМЭ) или вырезные корпуса. Выпускаются для агрегатирования с тракторами тяговых классов 1,4; 3; и 5 [68, 70, 76, 90].
Для анализа оценки эффективности технологического процесса основной обработки почвы, в таблице 1.1 приведены технические характеристики наиболее распространенных плугов общего назначения для агрегатирования с тракторами класса 5.
Из таблицы 1.1 видно, что применяемые лемешно-отвальные плуги общего назначения отличаются: рабочей шириной захвата корпуса, материалоемкостью и габаритными размерами.
Геометрические соотношения элементов отвального пласта плуга ПТК-9-35 соответствуют:
в/а = 175 при а=20 см и в/а =1,17 при {а - 30 см). Для плуга ПНЛ-8-40 в/а = 2 (а = 20 см) и в/а = 1,33 (а = 30 см). Для плуга ПНИ-8-40 1 е/о 1,5 (а=20...30 см и б=30 см) и 1,5 в/я 2,25 (а=20...30 см и е=45 см).
Тенденция развития отвальных плугов зарубежного производства базируется на тех же принципах [34, 53], что и отечественные, однако имеются и некоторые отличия:
увеличение ширины захвата корпуса до 40-45 см вместо традиционной 35 см; увеличение ширины захвата корпуса обеспечивает более полный оборот пласта за счет большего соотношения его ширины к глубине;
создание широкозахватных плугов с меньшим количеством корпусов позволяет уменьшить габариты по длине плуга и его материалоемкость;
лемешно-отвальная поверхность широкого корпуса (как правило) — полувинтовая;
придание особой формы полевого обреза корпуса, которая создает фигурный профиль стенки борозды для лучшего оборота и заделки растительных остатков. Ромбовидное сечение пласта влияет на улучшение его проходимости, что позволяет уменьшить расстояние между корпусами по ходу плуга до 55 см, что значительно ниже рекомендаций [2] - не менее 80 см.
Анализ вышеизложенного позволяет заключить, что, несмотря на ряд достижений по совершенству конструктивных параметров плугов традиционного исполнения, ие устранен основной недостаток — образование свальных гребней и развальных борозд.
Устранить этот недостаток удалось применением плугов для гладкой пахоты.
Технологический процесс гладкой пахоты можно выполнить применением оборотных плугов, фронтальных плугов, плугов с поворотными стойками.
Обоснование энергосберегающего технологического процесса основной отвальной обработки почвы
Известно [4, 30, 50, 64, 85], что крошение почвы рабочими органами плоскорезов и чизелей происходит по следующим схемам (рис.2,7). При этом угол скалывания пласта Т в поперечном сечении, в котором наблюдается максимальное касательное напряжение, по исследованию ряда авторов в среднем составляет 45 [30, 54]. Это явление нами в дальнейшем будет использовано для увеличения ширины захвата предлагаемых плугов.
Также известно [82], что высота гребней на дне обрабатываемого пахотного слоя при работе плугов рыхлителей допускается до 5 см.
Используя это положение можно прийти к следующему технологическому решению представленному на схеме (рис. 2.8). На основании этой схемы. l4=2h- ctgP (2.8)
где - U - расстояние между рабочими органами; h — предельно допустимая высота гребня, образующегося на дне пахотного слоя. На основании выражения (2,8) можно заключить, что за счет «недокрытия», то есть определенного расстояния между рабочими органами можно увеличить в целом ширину захвата плуга, то есть снизить удельное тяговое сопротивление плуга в целом. При этом гребень, находящийся на дне пахотного слоя будет способствовать или улучшать процесс оборота разрыхленного пласта почвы вследствие упора пласта в гребень, а также этот гребень будет способствовать проникновению воды в подпахотный слой.
Используя вышеизложенное можно прийти к следующей схеме выполнения технологического процесса основной отвальной обработки почвы, обспечивающей заделку высокостебельных остатков (рис.2.9).
На первом этапе производится рыхление пласта почвы сечением а + в. На втором этапе (рис.2.9,б) разрыхленный пласт делится пополам, то есть -0.5 Fj и часть пласта сечением 0.5 F из положения 1 перемещается в положение 2. Затем в образующуюся борозду 3 перемещаются, одновременно, половины сечения пластов F2 и F и высокостебельные растительные остатки (4) этих сечений, в последовательности - сначала 0,5 Fi в положение 5, затем 0,5 F2 в положение б (рис. 2.9,г).
Далее процесс повторяется. Очевидно, что разделение первоначально разрыхленного объема на две части и наличие гребней 7 (рис.2.9,д), находящихся на дне обрабатываемого пахотного слоя будут обеспечивать лучший оборот обрабатываемого пахотного слоя и позволит увеличить ширину захвата плугу, а также снизить энергоемкость процесса, за счет исключения усилия на вертикальное резание почвы [24].
По предложенному технологическому процессу, возможно, производить перемещение всего или верхней части разрыхленного сечения почвы F (рис 2.10,а). Это условие будет определяться конкретными агротехническими требованиями, предъявляемыми к технологическому процессу обработки почвы. А сам процесс может быть осуществлен корпусом, выполненным по схеме последовательного применения (развития) двух простых клиньев [6]. Первый клин обеспечивает резание, подъем и крошение пласта, чем достигается неоднородная (дисперсионная) структура физического состояния среды. Второй клин, взаимодействуя с этой средой, выполняет функцию отвала. При этом, процесс оборота сопровождается деформациями различных видов [52].
Очевидно, что реализация нового технологического процесса основной отвальной обработки почвы можно проверить только экспериментально. Для этого необходимо разработать новые рабочие органы и плуги, которые будут выполнять предложенный способ обработки почвы.
Методика проведения лабораторно-полевых исследований новых рабочих органов
Новые рабочие органы устанавливались на раму плуга ПБ-5 [71]. Плуг агрегатировался с трактором Т-І50К. Перед исследованиями поле разбивалось на загонки. При этом экспериментальный агрегат двигался согласно схемы (рисунок 3.9). Во время проведения исследований определялись следующие показатели, характеризующие состояние почвы:
- тип почвы и названия по механическому составу;
- рельеф;
- микрорельеф;
- абсолютная влажность почвы, %;
- твердость почвы, МПа;
- предшествующая обработка;
- масса растительных и пожнивных остатков, г/м2;
- высота растительных и пожнивных остатков, см.
Замер проводится путем подсчета на пяти учетных площадках размером 1x1м, расположенных по диагонали участка. В пределах каждой учетной площадки подсчитывали количество стерни и производили по 10 измерений высоты с погрешностью ± 1см.
В процессе лабораторно-полевых исследований определяем следующие показатели:
- скорость движения, км/ч;
- рабочая ширина захвата корпуса плуга, м;
- глубина обработки, см;
- профиль пласта почвы после прохода исследуемого корпуса;
- тяговое сопротивление рабочего органа;
- буксование колес трактора;
- коэффициент использования эксплуатационной мощности двигателя;
- удельные энергозатраты;
- удельное тяговое сопротивление рабочего органа. Лабораторно-полевые исследования проводим согласно программе и методике испытаний [19, 20, 55, 57], изложенным в ОСТ 10 4.1-2001 и ОСТ 10 2.2-2002 «Испытания сельскохозяйственной техники».
Методика лабораторно-полевых исследований технологического процесса, выполняемого плугами с предлагаемыми рабочими органами
Лабораторно-полевые исследования проводили на полях, находящихся в зоне деятельности ФГУ «Поволжская МИС». Во время проведения исследований определялись следующие показатели, характеризующие состояние почвы (см. подраздел 3.4).
В процессе лабораторно-полевых исследований определяем следующие показатели:
- скорость движения, км/ч;
- рабочая ширина захвата плуга, м;
- глубина обработки, см;
- гребнистость поверхности почвы (высота гребней), см; - крошение почвы, %;
- полнота заделки растительных и пожнивных остатков, %;
- мощность, потребляемая машинно-тракторным агрегатом при выполнении технологической операции;
- мощность, потребляемая навесной машиной, присоединяемой к трактору, при выполнении технологической операции;
- тяговое сопротивление навесной машины, присоединяемой к трактору при выполнении технологической операции;
- буксование движителей энергетического средства;
- коэффициент использования эксплуатационной мощности двигателя;
- удельные энергозатраты;
- удельное тяговое сопротивление навесной машины, присоединяемой к трактору.
При определении качества работы также устанавливали:
- среднее квадратическое отклонение глубины обработки, см;
- высоту неразрушенных гребней на дне обработанного слоя почвы в междурядье рабочих органов, см;
- отклонение от установочной ширины захвата, %;
- забивание рабочих органов растительными остатками и почвой.
Определение качественных показателей технологического процесса, выполняемого плугами с новыми рабочими органами
Исследования качественных показателей технологического процесса обработки почвы проводились в одинаковых условиях на типичных фонах, характерных для данной зоны. Поле выбирали с ровным рельефом и минимальными различиями физико-механических свойств почвы. Перед исследованиями определяли влажность в слоях 0...10, 10...20, 20...30 по диагонали участка. Повторность взятия проб на влажность - пятикратная. Для определения влажности почвы высушивали навески проб при температуре 105 в течение 6 часов. Абсолютную влажность почвы (А) вычисляли по формуле:
A = [(g-gVg ]-\009 (3.1)
где g- масса образца влажной почвы, г;
g - масса образца сухой почвы, г.
Взвешивание почвы производили с точностью до 0,01 г. Твердость почвы измеряли твердомером Ревякина. Полученные на миллиметровой бумаге динамограммы, обрабатываются с помощью планиметра. Расчет твердости почвы производили по формуле: P = h,gjf „, (3.2) где h - величина средней ординаты динамограммы плотности почвы, см; g0 - масштаб пружины, Н/см; /„ - площадь поперечного сечения плунжера, см . Для испытаний плуга-рыхлителя разбивку опытного участка производили по схеме, представленной на см. схему рис.3.9. Длина опытного участка 100 м, ширина 5 м, интервал между участками 20 м. В начале и на конце опытного участка выполняем включение и выключение регистрирующей аппаратуры. Переключение рабочих передач производили после остановки трактора на конце участка. Время движения замеряем секундомером. Скорость движения агрегата () рассчитываем по общеизвестной формуле: v=S/tt (3.3) где S - пройденный путь, м; t - время прохождения делянки, с. Качественные показатели обработки почвы контролировали путем измерения её глубины, качества крошения, при повторностях опытов не менее 50. Для этой цели использовали мерные линейки, глубиномер, угольник. Точность измерения ±0,5 см. Глубина определялась методом поперечного профилирования. Для этого на каждой учетной делянке перед проходом машины вбиваются две опорные стойки, на которые горизонтально устанавливают координатную рейку перпендикулярно к направлению движения агрегата. Горизонтальность рейки проверяли по уровню. Вертикальное расстояние от поверхности поля до нижней стороны рейки измеряли линейкой по всей ширине захвата машины с интервалом 5 см (погрешность измерения ±1,0 см). Затем рейку снимали и производили машиной учетный проход.
Определение показателей экономической эффективности
Анализ показателей экономической эффективности применения плуга ПБК-3 в сравнении с плугом ПЛН-5-35 показал более низкие затраты части снижения себестоимости механизированных работ - на 10,71%, что способствовало получению годового приведенного экономического эффекта в сумме 9299,44 руб. Общие выводы.
1. Анализ известных технических средств, реализующих различные технологические процессы основной отвальной обработки почвы показал, что энергетические затраты в них определяются геометрическими параметрами и составными элементами корпуса плуга.
2. Технологический процесс, выполняемый плугом ПРНС-5 + ПО-50 с комбинированными рабочими органами, имеет меньшую энергоемкость вследствие первоначального безотвального рыхления пахотного слоя, а затем сдвига и перемещения разрыхленной верхней части пахотного слоя и исключения из процесса дополнительной силы сопротивления - силы трения, возникающей при взаимодействии полевой доски со стенкой борозды.
3. На основе технологического процесса, выполняемого плугом ПРНС-5 + ПО-50 обоснован энергосберегающий технологический процесс, обеспечивающий первоначально безотвальное рыхление пахотного слоя, затем разделение разрыхленного пласта почвы на две части с поочередным оборотом и перемещением каждой части с высокостебельной растительностью в открытую борозду.
4. Разработаны и обоснованы новые рабочие органы для выполнения энергосберегающего технологического процесса, состоящие из наральникаимеющего форму части конической поверхности выпуклой вверх, за которым устанавливается отвал с выпуклой или вогнутой рабочей поверхностью, а их полевой обрез расположен по оси симметрии наральника.
5. Лабораторно-полевыми исследованиями установлено, что минимальные энергозатраты обеспечивает новый рабочий орган КБК-80С1 с шириной захвата наральника 0,56 м, углом установки вьшклого отвала к направлению движения 41, расстоянием от вершины наральника до нижней кромки отвала 0,1 м.
6. Производственной проверкой, проведенной в хозяйственных условиях в сравнении с известными плугами установлено, что за счет применения плугов с новыми рабочими органами достигается снижение удельных энергозатрат на 21,7%, погектарного расхода топлива на 10,0%, при увеличении производительности на 11,1% и качества заделки высокостебельной растительности на 14,0%.
7. Применение плугов с новыми рабочими органами снизило себестоимость механизированных работ на 10,71%, что способствовало получению годового экономического эффекта в размере 9299,44 руб.
