Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы и задачи исследования 14
1.1 Причины возникновения и особенности деградационных процессов почв на склонах 14
1.2 Современное состояние технологий подготовки почвы и посева 25
1.3 Направления совершенствования почвообрабатывающих и посевных машин 27
1.3.1 Агротехнические требования к обработке почвы и посеву сельскохозяйственных культур 27
1.3.2 Классификация и сравнительный анализ почвообрабаты-вающе-посевных машин 32
1.3.3 Анализ теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия рабочих органов с почвой 41
1.3.4 Анализ теоретических исследований процесса работы
пневматических распределительных систем 44
1.4 Состояние проблемы и задачи исследования 50
ГЛАВА 2 Механико-технологические основы возник-новения механической эрозии почв на склоновых агроландшафтах 53
2.1 Механико-технологические основы смещения почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах 53
2.1.1 Факторы, влияющие на смещение почвы рабочим органом . 53
2.1.2 Влияние направления движения агрегата и крутизны склона на технологические параметры рабочего органа 56
2.1.3 Математическое описание движения почвы по рабочему органу при работе на склонах 70
2.2 Математическая модель процесса механической эрозии почвы на склонах 79
2.3 Аналитическая оценка механической эрозии почвы при работе почвообрабатывающих и посевных машин на склонах 82
Выводы по главе 91
ГЛАВА 3 Моделирование технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах 93
3.1 Математическая модель технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах 93
3.1.1 Обоснование области расчета математической модели технологического процесса обработки почвы 93
3.1.2 Начальные и граничные условия математической модели технологического процесса обработки почвы на склонах 98
3.1.3 Методика реализации математической модели процесса обработки почвы на ЭВМ 104
3.2 Экспериментальная оценка перемещения почвы рабочим органом 112
3.2.1 Методика экспериментального определения перемещения почвы 112
3.2.2 Лабораторная установка для исследований процесса перемещения почвы рабочим органом 117
3.2.3 Экспериментальное определение смещения почвы рабочим органом 121
3.3 Проверка адекватности математической модели 126
3.4 Реализации математической модели технологического процесса и обоснование параметров рабочих органов 130
Выводы по главе 138
ГЛАВА 4 Математическая модель технологического процесса работы пневматической системы почво-обрабатывающе-посевных машин 140
4.1 Условия применения методов динамики двухфазных сред для математического описания работы пневматической системы сеялки. 140
4.2 Математическая модель процесса работы центробежных вентиляторов пневматических систем сеялок 147
4.3 Математическая модель технологического процесса работы распределительной системы зерновой пневматической сеялки 150
4.3.1 Расчет рабочей скорости воздушного потока и объемной концентрации семян 150
4.3.2 Обоснование принятых упрощений и допущений модели 159
4.3.3 Определение режимов течений и характеристик воздушно- зерновой смеси в пневматической системе 161
4.3.4 Обоснование области расчета математической модели процесса работы пневматической системы 169
4.3.5 Численная реализация математической модели процесса работы пневматической системы 171
4.4 Обоснование параметров пневматической системы почвообрабаты-вающе-посевной машины для работы на склоновых агроландшафтах 175
Выводы по главе 182
ГЛАВА 5 Технологии и комплексы машин для возделы-вания зерновых и пропашных культур на склоновых агроландшафтах 184
5.1 Влияние технологических приемов на снижение эрозионных процессов в почве 184
5.1.1 Влияние технологий и машин на механическую эрозию почвы 184
5.1.2 Влияние технологий и машин на водную эрозию 190
5.2 Обоснование технологий для возделывания зерновых культур на склоновых агроландшафтах 194
5.2.1 Результаты сравнительных опытов различных технологий возделывания зерновых культур 194
5.2.2 Перспективные направления совершенствования технологий возделывания зерновых культур 210
5.2.3 Рекомендуемые технологии и комплекс машин для возделывания зерновых культур 216
5.3 Обоснование технологии и технических средств для обработки почвы и посева пропашных культур на склонах 225
5.3.1 Обоснование технологии полосной обработки почвы и посева пропашных культур 225
5.3.2 Влияние способов обработки почвы и посева на урожайность. 228
5.3.3 Комбинированный агрегат для посева кукурузы 232
Выводы по главе 235
ГЛАВА 6 Рекомендации производству и технико-экономическая эффективность 240
6.1 Характеристики разработанных машин 240
6.2 Рекомендации производству по снижению деградации почвы 244
6.3 Технико-экономическая эффективность разработанных технологий и машин 249
Основные выводы 254
Список литературы
- Направления совершенствования почвообрабатывающих и посевных машин
- Факторы, влияющие на смещение почвы рабочим органом
- Обоснование области расчета математической модели технологического процесса обработки почвы
- Математическая модель процесса работы центробежных вентиляторов пневматических систем сеялок
Введение к работе
Актуальность темы. Сохранение почвы от деградации остается важнейшей проблемой сельскохозяйственного производства. Особенно сильно проявляется деградация почв на склоновых агроландшафтах.
В Республике Башкортостан 30,5 % пашни расположены на склонах более 3, что приводит к ежегодным потерям почвы со склонов из-за водной эрозии в среднем около 10 т/га. При этом вместе с почвой с одного гектара уносится 30...50 кг азота, 10...20 кг фосфора, 20...30 кг подвижного калия и 300...500 кг гумуса, что намного больше вносимых объемов элементов в виде органических и минеральных удобрений.
Кроме того, при работе почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах при каждой обработке происходит сталкивание почвы рабочими органами вниз по склону. Это приводит к механической эрозии и потере с верхних частей склонов гумуса и плодородного слоя. Уклон поля к тому же ведет к нарушению стабильности выполнения технологического процесса как обработки почвы, так и посева. Так, изменение положения рамы почвооб-рабатывающе-посевной машины в зависимости от уклона поля ведет к повышению неравномерности распределения семян по рядкам и к нарушению процесса закрытия борозд слоем почвы.
В настоящее время борьба с деградацией почвы проводится в основном лишь путем корректировки технологий возделывания сельскохозяйственных культур и направления движения агрегатов по склону, а технические средства разрабатываются для работы на равнинных агроландшафтах.
Поэтому технические средства и технологии возделывания сельскохозяйственных культур требуют дальнейшего совершенствования для применения на склонах. Однако до настоящего времени не раскрыты технологические основы возникновения механической эрозии и внутренние механизмы технологических процессов, ведущие к нарушению стабильности выполнения технологического процесса обработки почвы и посева на склонах, что затрудняет выбор конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин и технологий обработки.
В связи вышеизложенным выдвинута научная гипотеза о том, что снижение эрозионных процессов почвы при возделывании сельскохозяйственных культур на склоновых агроландшафтах возможно не только за счет использования специальных технологических приемов обработки почвы и посева, но и за счет изменения конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.
Тогда возникает научная проблема, которая заключается в раскрытии механико-технологических основ эрозионных процессов в почве для обоснования технологических приемов, конструктивных схем и параметров почвообрабатывающих и посевных машин для повышения эффективности возделывания сельскохозяйственных культур и снижения эрозии на склоновых агроландшафтах.
Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательскими программами на 2007.. .2010 гг. «Разработка современных технологий и технических средств для возделывания сельскохозяйственных культур» (Per. № И081205111557) и на 2010...2013 гг. «Повышение качества выполнения технологических операций на основе совершенствования рабочих органов сельскохозяйственных машин» (Per. № 01.2010.58947) на кафедре сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.
Степень разработанности темы. Возделывание сельскохозяйственных культур на склоновых агроландшафтах имеет свои особенности. Во-первых, возникает водная эрозия. Эта проблема в научном плане решена, однако каждая природно-климатическая зона требует уточнения предлагаемых мероприятий. Во-вторых, возникает механическая эрозия. Эта проблема тоже известна, однако ее исследованием только начинают заниматься на примере отвальной вспашки. Однако теоретические положения по обоснованию процесса возникновения и протекания механической эрозии отсутствует. В третьих, на склонах ухудшается качество выполнения технологического процесса обработки почвы и посева. Особенно сильно влияет крутизна склона на равномерность высева семян по сошникам. Хотя теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию параметров почвообрабатывающих и посевных машин много, в них не учитывается влияние склона на стабильность протекания технологического процесса.
Цель исследований: повышение эффективности возделывания зерновых и пропашных культур и снижение эрозий почвы на склоновых агроландшафтах путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.
В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследования:
-
Раскрыть механико-технологические основы проявления механической эрозии на склоновых агроландшафтах и установить зависимость смещения почвы от крутизны склона, направления движения агрегата, типа и параметров рабочего органа.
-
Разработать математическую модель технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах и обосновать конструктивно-технологические параметры рабочих органов, снижающих механическую эрозию.
-
Разработать математическую модель технологического процесса работы пневматической распределительной системы семян почвообрабатывающе-посевной машины на склонах и обосновать ее основные конструктивно-технологические параметры.
-
Совершенствовать технологию и комплекс машин для повышения эффективности возделывания зерновых и пропашных культур на склоновых агроландшафтах и сохранения плодородия почвы.
-
Внедрить разработанные почвообрабатывающие и посевные машины в производство и дать технико-экономическую оценку их внедрения.
Объект исследования. Технологический процесс обработки почвы и посева семян на склоновых агроландшафтах.
Предмет исследования. Закономерности технологических процессов работы почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Впервые раскрыты механико-технологические основы механической эро
зии почвы на склонах при работе почвообрабатывающих и посевных машин и
установлен характер ее изменения в зависимости от макрорельефа поля, кон
структивных параметров рабочих органов и направления их движения по склону.
2. Установлены аналитические выражения для определения траектории
движения и смещения почвы рабочими органами в зависимости от крутизны и
направления движения орудия по склону.
-
Обоснована расчетная область и разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой на основе уравнений динамики сплошной деформируемой среды с учетом крутизны склона поля и конструктивно-технологических параметров рабочего органа.
-
Установлены режимы течений воздушно-зерновой смеси и уточнены зависимости коэффициентов сопротивлений семян воздушному потоку в пневматических системах почвообрабатывающе-посевных машин и комплексов.
-
Разработана математическая модель процесса работы вентилятора пневматических зерновых сеялок, позволяющая моделировать образование и перемещение воздушного потока за счет вращения его лопастей.
-
Обоснована область расчета и разработана математическая модель процесса работы пневматической распределительной системы на основе уравнений динамики двухфазных сред «газ - твердые частицы» с учетом особенностей работы на склонах.
-
Предложены методики и обоснованы условия численной реализации математических моделей технологических процессов взаимодействия рабочих органов с почвой и работы пневматической системы почвообрабатывающих и посевных машин в компьютерных программах инженерного расчета.
-
Обоснованы технологические приемы полосной обработки почвы и посева технических культур на склонах, усовершенствованы технологии и разработан комплекс машин для обработки почвы и посева зерновых культур на склонах.
Новизна технических решений защищена одним авторским свидетельством и пятью патентами на полезную модель.
Практическая ценность работы. По результатам исследований в содружестве с Россельхозакадемией, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ТатНИИСХ и заводами ОАО «Варнаагромаш», ООО ПК «Ярославич», ЗАО ИПП «ТехАртКом» разработан комплекс машин для основной и предпосевной обработок почвы, а также комбинированные и универсальные почвообрабатывающе-посевные машины для ресурсосберегающей системы земледелия, которые внедряются во многих регионах Российской Федерации.
Разработанные совместно с учеными БГАУ и БНИИСХ рекомендации для внедрения ресурсосберегающей технологии в Республике Башкортостан исполь-
зуются во всех зонах Республики Башкортостан при возделывании сельскохозяйственных культур.
Результаты научных исследований использованы при разработке системы ведения агропромышленного производства в Республике Башкортостан и системы машин и оборудования для реализации инновационных технологий растениеводства и животноводства.
Разработанная технология и изготовленный универсальный комбинированный агрегат для полосного посева кукурузы обеспечивает повышение урожайности зеленой массы кукурузы на 127 ц/га и устранение механической эрозии и смыва почвы на склонах, а также снижает эксплуатационные затраты за счет снижения площади обработки поля.
Разработанный комплекс машин для энергоресурсосберегающей системы земледелия награжден дипломами и двумя золотыми медалями Всероссийской агропромышленной выставки в 2011, 2012 гг. и широко внедряется в сельскохозяйственных предприятиях Республики Татарстан, Челябинской, Ярославской и Ивановской областях, а также в Республике Казахстан. Использование рекомендованного комплекса машин приводит к повышению рентабельности с 12,9 до 37,9—40,4 %, и повышению урожайности на 3,2 ц/га.
Реализация результатов работы. Данные исследований по обоснованию конструктивных параметров плугов использованы при производстве плугов ПН-ЗС, ПН-4С, ПН-5С и ПН-8С в ОАО «Стерлитамакское РТП».
На основе результатов исследований по обоснованию конструктивных параметров рабочих органов и пневматических систем в ЗАО ИПП «ТехАртКом» освоено производство и выпущены культиваторы КУБМ-14,7 (5 типов рабочих органов), почвообрабатывающе-посевные агрегаты ППА-5,4, ППА-7,2, и плуги-дискаторы ПДУ-6х4 «Ермак».
Результаты исследований по обоснованию параметров рабочих органов использованы ОАО «Варнаагромаш» при выпуске борон БТИ-21, БЗН-15, БЗН-24, культиваторов КБМ-7,2, КБМ-10, КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДП-7,2, плугов со сменными рабочими органами ПН-ЗУ, ПН-4У, ПН-5У, ПН-8У, ПП-9У, посевных машин СКП-2,1, СПБМ-6, СПБМ-8.
Технология полосной обработки почвы и комбинированный агрегат для ее осуществления внедрены в Тюйском совхозе Аскинского района Республики Башкортостан.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ и ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА.
Вклад автора в проведенное исследование. Разработана математическая модель смещения и механической эрозии почвы на склонах. Предложена методика, изготовлены лабораторная установка и приборы для определения смещения почвы на склонах. Уточнены области расчета, начальные и граничные условия математической модели взаимодействия рабочих органов с почвой с учетом склона. Определена объемная концентрация семян в воздушном потоке распределительной системы пневматических сеялок. Определены число Рейнольдса и аэродинамический коэффициент сопротивления частицы для различных культур в
7 распределительных системах пневматических зерновых сеялок. Уточнены области расчета, начальные и граничные условия математической модели технологического процесса работы пневматической системы сеялки с учетом крутизны склона. Обоснованы параметры рабочих органов и технических средств для устойчивой работы машин на склонах. Предложена технология полосного посева и изготовлен комбинированный агрегат. Проведены сравнительные опыты различных технологий возделывания кукурузы. Заложены трехлетние стационарные опыты по влиянию способов основной обработки, предпосевной обработки и посева на засоренность посевов, урожайность зерновых культур и смыв почвы. На защиту выносятся следующие основные положения:
аналитическая оценка механической эрозии почвы в зависимости от конструктивных параметров, направления движения рабочего органа и крутизны склона;
теоретическое обоснование технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой при обработке склоновых агроландшафтов;
теоретическое обоснование технологического процесса работы пневматической распределительной системы почвообрабатывающе-посевных машин;
рекомендуемые технологические приемы, технические средства и их параметры для обработки почвы и посева на склоновых агроландшафтах;
оценка эффективности рекомендуемых технологических приемов и разработанных машин.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях Челябинской ГАА (1982-2010 гг.), Башкирской ГАУ (1989-2013 гг.), ТатНИИСХ (2005 г.), итоговой научно-практической конференции, посвященной 75-летию КГФЭИ (2006 г.), международной научно-практической конференции Курганской НИИСХ, посвященной 110-летию со дня рождения Т.С. Мальцева (2006 г.).
Результаты исследований по разработке технологий и машин для обработки почвы и посева на склонах рассматривались на совместных выездных заседаниях Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства РАСХН в г. Ярославль 24-25 сентября 2008 г. и в г. Уфе (ФГБОУ ВПО Башкирской ГАУ) 6-8 июня 2013 г., на совместной научно-практической конференции МСХ Челябинской области, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ЧНИИСХ, ТатНИИСХ, ОАО НПК «Уралвагонзавод», ООО «Варнаагромаш» в г. Челябинск 21 сентября 2011 г., на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 59 работах, в том числе 19 в рецензируемых журналах и изданиях, 2 монографии, 5 рекомендаций производству, получены 5 патентов на полезную модель и 1 авторское свидетельство на изобретение. Общий объем публикаций составляет 72 п.л., из них авторских - 28 п.л.
Направления совершенствования почвообрабатывающих и посевных машин
Под механической эрозией почвы подразумевается систематическое смещение почвы под склон под действием рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин. Это заметно на склонах с мелкохолмистым рельефом, где толщина гумусного слоя на верхней части всегда меньше (иногда на верхней части склона даже нет гумусного слоя, а лежит материнская порода и там ничего не растет), а нижняя часть склона содержит плодородную почву. Это объясняется тем, что в течение десятилетий при каждой обработке весь обрабатываемый слой смещается вниз по склону (сползает). При этом на нижнюю часть склона поступает гумусный слой с верхнего участка, а на самых верхних участках такого поступления нет. Поэтому орудия, выдерживая настроенную глубину обработки, привлекают к обработке нижележащий неплодородный слой. Обвинять в этом водную эрозию невозможно, так как количество смытой почвы на нижней части склона всегда будет больше из-за увеличения количества протекающей по поверхности поля воды в связи с увеличением площади водосбора. То есть оголение верхних частей склонов от плодородной почвы объясняется только механической эрозией, т.к. на верхней части склона практически отсутствует водная эрозия. Кроме этого механическая эрозия при каждой обработке переносит почву вниз по склону, где за счет увеличения площади водосбора процесс водной эрозии усиливается, что ведет к большему смыву почвы по сравнению с отдельным развитием водной эрозии. Несмотря на данный факт отрицательного воздействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин на почву, вопросами механической эрозии занимались небольшое количество ученых. Заславский М.Н. [51] при классификации эрозий отдельно выделяет перемещение почвы со склонов почвообрабатывающими машинами и называет как механическую эрозию, или агротехническую, или технологическую.
В своей работе Шведас А.И. [209] описывает проблему возникновения механической эрозии на основании результатов работы Дукштатской опытной станции для условий сильно расчлененного мелкохолмистого рельефа.
О размерах механической эрозии можно судить по опытам Б.В. Кибуриса [209]: при вспашке склона 8-10 вдоль горизонталей и при отваливании пласта вниз к подножию за один проход агрегата среднее расстояние, на которую перемещается пахотный слой, составляет 45 см. Когда отваливается пласт вверх пахотный слой перемещается только на 39 см. Тогда при загонной вспашке весь пахотный слой перемещается к подножию на 6 см.
Культивация, боронование, движение по полю тракторов и сельскохозяйственных машин приводят к увеличению механической эрозии. а - луг; b - порог; c - залежь; d - порог; e - пашня Рисунок 1.2 – Пороги-бровки, образовавшиеся на склоне в процессе эрозии
Механическая эрозия разрушает обрабатываемый слой почвы, меняет форму микрорельефа поля, приводит к появлению порогов-бровок, что ухудшает условия обработки почв. Профиль склона принимает форму, показанную на рисунке 1.2. В результате этого холмы понижаются, склоны становятся пологими и принимают террасообразную форму. На вершинной поверхности холмов появляются безгумусные слои почвы, а на холмах, ядро которых сложено из гравия, выступает гравий. При появлении на поверхности гравия плодородие полей сильно понижается, и они становятся практически непригодными для сельскохозяйственного использования [209].
Поэтому одним из основных пунктов противоэрозионных мероприятий должен быть сокращение процесса механической эрозии. При этом необходимо иметь в виду, что величина механической эрозии не зависит от метеорологических условий, а зависит от глубины и количества обработки почвы и рельефа поля.
Рассмотренные факты деградации почвы показывают необходимость организации гибкой системы использования земель, которая позволила бы максимально избежать выведения плодородных почв из сельскохозяйственного оборота или их прогрессирующей деградации.
Современное состояние технологий подготовки почвы и посева В настоящее время используются различные технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Сущность и названия этих технологий в основном зависит от способа обработки почвы и способа посева.
Факторы, влияющие на смещение почвы рабочим органом
Цель исследований: повышение эффективности возделывания зерновых и пропашных культур и снижение эрозий почвы на склоновых агро-ландшафтах путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.
В соответствии с целью работы определены следующие задачи исследования: 1. Раскрыть механико-технологические основы проявления механической эрозии на склоновых агроландшафтах и установить зависимость смещения почвы от крутизны склона, направления движения агрегата, типа и параметров рабочего органа. 2. Разработать математическую модель технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах и обосновать конструктивно-технологические параметры рабочих органов, снижающих механическую эрозию. 3. Разработать математическую модель технологического процесса работы пневматической распределительной системы семян почвообра батывающе-посевной машины на склонах и обосновать ее основные конструктивно-технологические параметры. 4. Совершенствовать технологию и комплекс машин для повышения эффективности возделывания зерновых и пропашных культур на склоновых агроландшафтах и сохранения плодородия почвы. 5. Внедрить разработанные почвообрабатывающие и посевные машины в производство и дать технико-экономическую оценку их внедрения.
На защиту выносятся следующие основные положения: - аналитическая оценка механической эрозии почвы в зависимости от конструктивных параметров, направления движения рабочего органа и крутизны склона; - теоретическое обоснование технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой при обработке склоновых агро-ландшафтов; - теоретическое обоснование технологического процесса работы пневматической распределительной системы почвообрабатывающе-посевных машин; - рекомендуемые технологические приемы, технические средства и их параметры для обработки почвы и посева на склоновых агроланд-шафтах; - оценка эффективности рекомендуемых технологических приемов и разработанных машин.
Из пассивных рабочих органов для обработки почвы используются рабочие органы рыхлительного и стрельчатого типа. Рыхлительные рабочие органы имеют форму двугранного клина, и они обеспечивают только разрезание и рыхление почвы по месту прохождения и не приводят к поперечному смещению почвы.
Любой рабочий орган, имеющий форму трехгранного клина (стрельчатая лапа, корпус плуга и др.) при работе смещает почву поперек направления движения агрегата. Величина смещения почвы на равнине зависит только от параметров рабочего органа – угла между лезвием лемеха и направлением движения и угла между поверхностью рабочего органа и горизонтальной плоскостью. Так как рабочий орган перемещает почву симметрично относительно направления движения как направо, так и налево, то общего смещения почвы не происходит. При работе на склонах уже симметричного смещения почвы не будет, а смещение почвы вниз под склон становиться всегда больше, чем смещение почвы вверх по склону. Такое систематическое перемещение почвы под склон под действием механических обработок приводит к возникновению механической эрозии почвы [155, 161, 150, 17, 164].
В связи с этим рассмотрим закономерности изменения смещения почвы и механической эрозии в зависимости от параметров рабочего органа, от крутизны склона и от направления движения почвообрабатывающих и посевных машин относительно горизонтали поля.
Такое перемещение почвы на склонах происходит из-за изменения характера взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин с почвой по сравнению с работой на равнине. Это обусловлено изменением технологических параметров рабочего органа (углов у и є) относительно горизонтальной плоскости и появлением дополнительной боковой силы, действующей на пласт почвы вдоль склона вниз Q = G- , где G - сила тяжести пласта, Н, Г2 - крутизны склона, град.
Рассмотрим схему смещения почвы (рисунок 2.1). Пусть при движении на равнине трехгранного клина АВСО с параметрами у и є траектория относительного движения проходит по линии AD. При работе этого же клина на склоне с крутизной Г2 без учета боковой силы, траектория движения остается на той же линии, однако эта линия вместе с клином поворачивается и занимает положение ADb После поворота клина на величину крутизны склона Г2 подразумеваемый новый клин, получаемый рабочей плоскостью клина и новыми горизонтальным и вертикальными плоскостями, уже будет иметь другие технологические параметры у1 2 и є1)2 . В связи с этим углы ц и цъ определяющие траектории движения почвы при разных положениях клина будут иметь разные значения, хотя показывают положение одной и той же линии.
Как было сказано ранее, положение траектории в пространстве меняется не только за счет изменения положения клина, но и за счет боковой силы. Боковая сила заставляет траекторию смещаться еще на угол б и принимает направление ADi . Это направление определяется углами t] и Ці.
Как видно из рисунка 2.1, величина смещения почвы на сторону под склон увеличивается с ОЕ до ОЕ!M. Это относится к клину, толкающему почву вниз по склону. Для клина, толкающего почву вверх по склону, наоборот, смещение на склоне будет уменьшаться. Для вычисления смещения достаточно знать параметры лемеха и величину угла цТі, который представляет собой угол между проекцией траектории ADi на горизонтальную плоскость и направлением движения.
Обоснование области расчета математической модели технологического процесса обработки почвы
Рассмотрим смещение почвы односторонним рабочим органом (типа стойки СибИМЭ). Отличием от выше рассмотренной стрельчатой лапы является то, что при использовании одностороннего рабочего органа механическая эрозия возникает при двух проходах агрегата во взаимно противоположных направления: при движении в одном направлении рабочий орган смещает почву, например, вниз, а после разворота на конце поля этот же рабочий орган начинает смещать почву вверх. Это приводит к тому, что взаимное расположение графиков зависимостей смещения почвы вниз по склону 1 (график 1 рисунок 2.36), и вверх 2 (график 3) меняется по сравнению с расположением графиков смещений почвы 1 и 2 стрельчатой лапы (графики 1 и 2).
Как видно из рисунка 2.36, сдвиг фаз зависимостей 1 и 2 для стрельчатой лапы составляет 60, а для односторонней лапы 180. Поэтому график механической эрозии как разность этих графиков смещений почвы полностью меняет свою форму. При работе стрельчатой лапы наибольшая механическая эрозия происходит при движении агрегата практически вдоль горизонталей (при = 0 15) (график 4). - смещение почвы вниз по склону Л1, 2 - смещение почвы верх верхним крылом стрельчатой лапы Л2 , 3 - смещение почвы вверх односторонней лапой Л2одНост , 4 - механическая эрозия почвы при обработке стрельчатой лапой, 5 - механическая эрозия почвы при обработке односторонней лапой. Рисунок 2.36 - Зависимости смещений почвы A1 , А2 , А2оДност и механической эрозии А и Лодност при обработке почвы стрельчатой и односторонней лапами на склоне в 6 и параметрах рабочего органа у = 32,5 и є = 26от направления движе ния агрегата
При использовании односторонней лапы наибольшая механическая эрозия происходит при отклонении направления движения агрегата от горизонтали поля на угол 35. Величина механической эрозии при этом возрастает существенно ( до 1,5 раз) по сравнению с движением агрегата поперек склона. Зато при использовании односторонней лапы зона минимальной механической эрозии расширяется и смещается в сторону больших углов . При использовании стрельчатой лапы в зону минимальных механических эрозий входит сектор = 90±35, то при односторонних - =120 ± 45.
Закономерности изменения механической эрозии в зависимости от параметров рабочего органа остаются аналогичными (рисунки 2.37 и 2.38).
При увеличении углов и механическая эрозия тоже увеличиваются. При увеличении угла в некоторой степени изменяется форма графика (рисунок 2.38). Уменьшается сектор минимальных механических эрозий и раз 90 ница между максимальной механической эрозией и механической эрозией при движении агрегата вдоль горизонталей. -є=26, 2 -є=22, 3 -є=18 Рисунок 2.37 - Зависимость механической эрозии А при обработке почвы односторонней лапой на склоне в 6 от направления движения 9 при угле у = 32,5 различных значениях угла є - у = 60, 2 - у = 50, 3 - у = 32,5 Рисунок 2.38 - Зависимость механической эрозии А при обработке почвы односторонней лапой на склоне в 6 от направления движения 9 при угле є= 20 и различных значениях угла у Выводы по главе
Разработана математическая модель механической эрозии почвы, которая позволила установить: - при движении агрегата поперек склона смещение почвы вниз нижним крылом стрельчатой лапы увеличивается при увеличении крутизны склона, а смещение почвы вверх верхним крылом уменьшается и при достижении критической крутизны склона кр почва начинает перемещаться тоже вниз по склону. При = 50 и = 20 критическая крутизна склона кр = 7,6, при = 50 и = 30 – кр= 11, при = 60 и =30 – кр= 8 и при = 40 и =30 – кр = 15,3 (рисунок 2.26 и 2.27). - при одной и той же крутизне склона максимальное смещение почвы нижним крылом стрельчатой лапы (1) происходит ни при движении агрегата вдоль горизонталей, а при движении агрегата под углом = 45-70 (в зависимости от параметров рабочего органа), т.е. наложение продольного наклона рабочего органа в и поперечного п приводит к большему смещению; - при обработке стрельчатой лапой максимальное значение механической эрозии происходит при углах 15 и 170 независимо от параметров рабочего органа, а при обработке односторонней лапой – при углах 15…45 и 190…210 в зависимости от параметров рабочего органа.
2. На основе разработанной модели установлены следующие технологические приемы, позволяющие снизить механическую эрозию: - необходимо избегать сектора направлений движения агрегата ( 0…70), где наблюдается максимальная механическая эрозия при обра ботке односторонними лапами (корпусами плугов) превышающая механиче скую эрозию при движении по горизонталям поля в 1,5 раза; - если отсутствует угроза водной эрозии, то необходимо обработку проводить в зонах минимальных механических эрозий, которые находятся в секторах направлений движения агрегата для стрельчатых лап – = 90±35, для односторонних лап – = 120 ± 45; - ширина развальной борозды при обработке стрельчатыми лапами увеличивается при увеличении углов и , кроме этого на склоне в 6 она меняется в зависимости от направления движения агрегата в три раза; минимальная ширина борозды будет при движении агрегата вверх по склону и максимальная при движении агрегата вниз.
Математическая модель процесса работы центробежных вентиляторов пневматических систем сеялок
Для определения углов и замера смещения почвы над рабочим органом устанавливается прибор 8. Прибор (рисунок 3.28) крепится к мосту лабораторного стола с помощью сферической головки 9, который позволяет крепить прибор в любом необходимом положении в зависимости от снимаемого параметра.
Прибор изготовлен из прозрачного органического стекла (основания) 1, на котором проведены параллельные линии 3 для установки прибора строго в нужном направлении (по направлению движения рабочего органа или параллельно лезвию лемеха).
На центральной линии просверлены два отверстия для установки болтов с продольными сквозными отверстиями 4 и 6. Передним болтом 4 (по ходу моста) крепится маятниковая пластина 2. Задний болт 6 совместно с передним показывают направление оси прибора. На другом конце маятниковой пластины 2 закреплен болт 5 такой же конструкции, который может перемещаться относительно переднего болта в пределах вырезанного окна 10. В центральное отверстие болтов по необходимости устанавливается или стержень 7 или острый штифт 8.
Прибор работает следующим образом. Для определения угла ті прибор устанавливаем на мост для крепления рабочего органа лабораторного стола таким образом, чтобы прибор находился параллельно поверхности стола, линия симметрии была параллельна направлению движения рабочего органа и болты, находящиеся на маятниковой пластинке 2, находились над зоной деформации почвы клином. Мост передвигаем таким образом, чтобы рабочий орган погружался в почву и начинал работать. Останавливаем мост, вводим в отверстие переднего болта 4 стержень 7 до соприкосновения с почвой (песком). На точку соприкосновения кладем меченый точечный предмет (в опытах использовался кусочек войлока).
Потом вытаскиваем стержень и передвигаем мост до тех пор, пока меченый предмет не станет против заднего болта 5 маятниковой пластинки 2. Устанавливаем стержень 7 на этот болт и конец стержня устанавливаем над меченым предметом, поворачивая при этом подвижную пластинку 2 вокруг переднего болта 4. Угол, образуемый болтами 5, 4, 6, с вершиной на переднем болту 4 и будет показывать лг.
Для снятия полученного угла в отверстие болтов устанавливаем острые штифты 9. Берем бумагу, которая перекрывает все три болта, надавливаем через бумагу на штифты. При этом на бумаге прокалываются три отверстия. Соединив эти точки, получаем угол лг.
Для определения смещения почвы лемехом необходимо знать траекторию относительного движения почвы по лемеху и длину пути, проходимого почвой по лемеху с момента попадания на него до схода с поверхности. Эти два показателя должны быть отображены на горизонтальной плоскости. Поэтому за основу прибора для определения смещения почвы возьмем прибор для определения углов, добавив возможность одновременного замера и длины пути, проходимого почвой по лемеху. Принцип работы прибора показан на рисунке 3.29.
Допустим, при работе на равнине почва по лемеху перемещается по траектории АD под углом ц г1. При этом почва в поперечном направлении переместится на расстояние А . При работе этого же рабочего органа на склоне траектория движения почвы по лемеху изменится. Проекция траектории АD" будет проходить уже под углом г) . Кроме изменения угла, как видно из схемы, меняется и длина пути, проходимого почвой по рабочему органу (Ь и L") при одной и той же ширине лемеха L. Т.е. при изменении крутизны склона меняется не только угол г)г1, но и путь, проходимый почвой. Тогда величина смещения почвы составляет А".
Таким образом, прибор для определения смещения почвы должен измерить угол г)г1 и длину пути, проходимого почвой по лемеху. Как видно из схемы, для этого достаточно передний болт прибора ставить над точкой А (над лезвием лемеха), а болт на маятниковой пластине ставить над точкой D (над задним обрезом лемеха). Однако использовать прибор для определения угла для этих целей невозможно, т.к. длина маятниковой пластины постоянна, а длина пути меняется. Поэтому предлагается конструкция прибора, у которого длину маятниковой пластины можно менять в зависимости от длины пути (рисунок 3.30).
Отличительной особенностью прибора является наличие прорези на подвижной пластинке. По этой прорези перемещается задний болт подвижной пластинки 5, позволяющий изменить расстояние между болтами подвижной пластинки. прибор (рисунок 3.32).
Он имеет дополнительную пластинку 4 для определения угла Чг1. Эта пластинка вынесена направо (для лемеха, толкающего направо), чтобы болты 9 и 10 находились в зоне деформации почвы лемехом. Тогда можно легко фиксировать угол лг1. Пластина для определения смещения почвы 3 и пластина для определения угла 4 соединены к основанию прибора 1 через болты 6 и 9, а между собой соединяются с помощью соединительной пластины 5 так, чтобы образовался параллелограммный механизм 6-15-16-9. В результате пластина 3 поворачивается на такой же угол, что и пластина 4.
