Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований способов и средств механизации снегозадержания:
1.1 Влияние снегозадержания на накопление влаги и урожайность сельскохозяйственных культур 6
1.2 Существующие способы задержания снега при возделывании с.х. культур 9
1.3 Средства механизации задержания снега на полях 16
1.4 Цель и задачи исследования 27
2. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы снегопаха с регулируемым валоформирователем 28
2.1 Обоснование необходимости совершенствования снегопахов 28
2.2 Обоснование схемы снегопаха с регулируемым валоформирователем 30
2.3 Определение параметров экспериментального снегопаха 43
2.3.1 Определение длины удлинителя отвала 44
2.3.2 Определение параметров направляющих пластин 46
2.3.2.1 Обоснование длины направляющей пластины 47
2.3.2.2 Определение угла установки направляющей пластины 49
2.4 Определение тягового сопротивления модернизированного снегопаха 52
3. Методика экспериментальныx с исследований 56
3.1 Общие положения экспериментальных исследований 56
3.2 Методика определения параметров преград, формируемых экспериментальным орудием 57
3.3 Планирование многофакторного эксперимента при определении оптимальных параметров снегопаха 59
3.3.1 Общие положения 59
3.3.2 Выбор параметра оптимизации 59
3.3.3 Обоснование варьируемых факторов в многофакторном эксперименте 60
3.3.4 Порядок обработки результатов многофакторного эксперимента 62
3.4 Методика энергетической оценки снегопаха 69
3.5 Методика тарировки измерительной установки для определения тягового сопротивления 73
3.6 Методика определения влияния работы орудия на урожайность зерновых 74
3.7 Методика обработки результатов экспериментальных исследований... 75
3.8 Оценка погрешностей измерений 78
4. Результаты экспериментальных исследований 80
4.1 Методика определения параметров преград, формируемых снегопахом 80
4.2 Результаты многофакторного эксперимента при определении оптимальных параметров снегопаха 84
4.3 Результаты энергетической оценки экспериментального снегопаха... 91
4.4 Сравнительные испытания снегопаха 94
4.5 Результаты производственных испытаний экспериментального снегопаха 96
5. Экономическая эффективность внедрения в производство модернизированного снегопаха
Общие выводы и предложения 105
Список использованной литературы 106
Приложения 119
- Существующие способы задержания снега при возделывании с.х. культур
- Обоснование схемы снегопаха с регулируемым валоформирователем
- Порядок обработки результатов многофакторного эксперимента
- Результаты многофакторного эксперимента при определении оптимальных параметров снегопаха
Введение к работе
Актуальность. Засушливый климат зоны Южного Урала
обуславливает снижение урожайности сельскохозяйственных культур
из-за отсутствия достаточного количества влаги. Одной из мер
уменьшения негативного действия засухи является рациональное
использование выпадающих в зимний период запасов влаги. Однако
анализ осадков в различные периоды года показывает, что низка
эффективность использования влаги осадков в виде снега. Это связано с
выносом их с поверхности полей за счет действия ветра. Учитывая
значимость зимних осадков (в зависимости от года до 40%), проведение
снегозадержания позволяет повысить урожайность
сельскохозяйственных культур.
Согласно исследованиям, задержание снега имеет большое значение в борьбе с засухой. Расход воды на формирование урожая из весенних запасов влаги в почве составляет большую часть, чем из осадков вегетационного периода. Снегонакопление создает благоприятные условия для проведения посева яровых культур, так как задержанная в почве влага позволяет удлинить благоприятный вегетационный период, который в засушливых районах чрезвычайно краток, и обеспечить сохранность озимых от промерзания.
В настоящее время различают мероприятия по накоплению снега, предотвращению его переноса и регулированию его таяния, среди которых первоочередной и определяющей эффективность остальных мер является механизированное снегонакопление за счет формирования преград на поверхности поля снегопахами.
При проектировании средств механизации недостаточное внимание уделяется непосредственно формированию и исследованию зависимости параметров преград от конструкции и параметров рабочих органов снегопахов.
В связи с этим, возникает необходимость оптимизации конструкции и параметров рабочих органов снегопахов на основе исследования особенностей процесса формирования преграды.
Цель исследования. Совершенствование конструкции орудия для механизированного снегонакопления и обоснование его параметров, обеспечивающих увеличение количества накапливаемого снега и снижение энергетических затрат.
Объект исследования. Процесс формирования снегопахом преград из снега.
Предмет исследования. Закономерности функционирования снегонакопительного орудия.
Научная новизна В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель процесса функционирования снегопаха (формирования преград), на
основе которой предложена схема модернизации орудия для снегонакопления и обоснованы его параметры.
Практическая значимость работы
Разработан модернизированный снегопах, применение которого обеспечивает формирование преград увеличенной высоты, что позволяет увеличить накопление снега на полях, влаги в почве и урожайность сельскохозяйственных культур.
Внедрение. Опытные образцы орудия в 2004...2006 гг. использованы для накопления снега в ООО «Затонное» Илекского района, ОПХ «Экспериментальное» Оренбургского района.
Апробация. Основные положения диссертационной работы представлены, доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях факультета механизации ОГАУ (2002-2006 гг.), на международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ОГАУ (Оренбург, 2005 гг.), на межвузовской научно-практической конференции «Решение проблем стабилизации сельскохозяйственного производства» (Оренбург, 2005 г.).
Результаты научных исследований по диссертации отмечены серебряной медалью Российской Агропромышленной выставки «Золотая осень» (Москва «ВВЦ», 2005 г.)
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 8 работ.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка использованных источников (136 наименований) и приложений. Работа содержит 130 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 30 рисунков и 7 приложений.
Существующие способы задержания снега при возделывании с.х. культур
Экспериментальные исследования влияния расстояния между валками на накопление снега, проведенные Ковтуновым В.Е. /50/ показали, что высота снежной преграды значительно влияет на отложение снега (рисунок 1.1). При рабочей высоте валка 30 см наиболее эффективно снег задерживается с расстоянием между валками 50-150 см. Увеличение высоты препятствия до 40 см ведет к росту снежного покрова до 30 см при расстоянии между валками 2-2,5 м, а препятствия высотой 50 см эффективно работают при расстоянии между ними до 5 м.
Ковриков И.Т. /59/ экспериментально исследовал характер распределения скорости потока за снежным валом и получил зависимость, представленную на рисунке 1.2, из которой мы можем сделать вывод, что на расстояний до 10-12 высот преграды скорость эффективно снижается, а, следовательно, обеспечиваются благоприятные условия для отложения снега.
По данным Грибановского А.П., /37/ снежные валы, нарезаемые снегопахом, эффективно снижают скорость ветра на расстоянии, равном пятнадцатикратной высоте рабочей части валка. При высоте рабочей части валка 0,30-0,35 м равномерное накопление снега в межвалковых пространствах происходит в тех случаях, если валки нарезаются на расстоянии не более 4-5 м между их центрами.
В работе Галиева Р.Э. обосновывается необходимость формирования преград, взаимодействующих друг с другом при их воздействии на снеговоз-душный поток, что, в конце концов, обеспечивает повышение эффективности снегонакопления./31, 32/ По результатам исследований предлагается на поверхности поля формировать систему преград, взаимодействующих друг с другом.
Система преград представляет собой совокупность препятствий различной высоты и формы, что в результате значительно влияет на структуру скорости ветра у поверхности поля, а, следовательно, и на накопление снега.
На основании проведенных исследований ясно, что количество накопленного снега определяется высотой сформированной преграды. Большой же разброс в размерах зоны отложения снега у разных исследователей (от восьми высот преграды у Кузнецовой и 15 высот преграды у Грибановского А.П.) очевидно объясняется различием в физико-механических свойствах снега и в скорости ветра, при которых ими проводились эксперимента.
Ещё одной из мер по воздействию на снежный покров с целью накопления влаги является изменение его физико-механических свойств, что предпринимается либо с целью предотвратить перенос уже отложившегося снега, либо регулирования таяния снега. Большую работу в этом направлении провел Ковтунов В.Е. При совершенствовании процесса снегонакопления Ковтунов В.Е. /64/ прежде всего исследует физико-механические свойства снежного покрова и определяет требуемую плотность снега после обработки, то есть плотность при которой снег уже практически не будет сдуваться с поверхности ПОЛЯ. На основе выполненных исследований Ковтунов В.Е. делает вывод, что снег плотностью 350-400 кг/м3 практически прекращает перераспределяться даже при скорости ветра 14-16 м/с. С учетом результатов исследования зональных особенностей сложения снежного покрова и изучения физико-механических свойств снега предлагается способ задержания снега на полях путем образования валков из настового снега и уплотненных снежных полос между ними. Эффект от уплотненных снежных полос не только предотвращением переноса уплотненного снега, но и уменьшением стока талых вод в период таяния снега через плотные полосы снега. Однако нужно учесть, что уплотнение снега, производимое с целью предотвращения его переноса и регулирования таяния, возможно лишь при наличии достаточного количества снега. То есть уплотнение следует применять уже после мероприятий по его накоплению, по крайней мере, в тех регионах, где наблюдается интенсивная ветровая деятельность. Исходя из вышеизложенного, основными факторами, влияющими на количество накопленного снега после механизированного снегозадержания являются: 1.Скорость ветра. 2.Высота преграды. 3.Расстояние между преградами. 4.Физико-механические свойства снежного покрова. Мероприятия по воздействию на снежный покров с целью рационального использования влаги можно представить в виде итоговой схемы, представленной на рисунке 1.3. Анализируя схему можно отметить следующее: рациональное использование влаги, содержащейся в снежных осадках, возможно лишь при выполнении всего комплекса мероприятий, причем эффективность каждой отдельной операции зависит от качества проведения предшествующих. Так, например, регулирование таяния снега или предотвращение его переноса возможно лишь при достаточном его количестве, что зависит от операции снегонакопления. Следовательно, разрабатываемые технологии и средства механизации рационального использования зимних осадков должны обеспечивать качественное выполнение каждой операции. Причем в комплексе мер наиболее важным является формирование преград, поскольку именно оно определяет эффективность последующих операций.
Обоснование схемы снегопаха с регулируемым валоформирователем
Таким образом, нами получена зависимость для определения максимальной или теоретической высоты преграды, которая может быть сформирована из имеющегося количества снега. Также мы можем сделать вывод: чем ближе высота преграды к теоретической, тем выше эффективность работы орудия.
Графики зависимости теоретической высоты преграды в зависимости от параметров снегонакопительного орудия представлены на рисунке 2.3. Однако следует отметить, что высота преграды в этом случае теоретическая, в реальных условиях существующие орудия её не обеспечивают. Полученная формула позволит дать оценку эффективности работы орудий для снегонакопления, за счет того, что мы можем сравнивать результат работы реального орудия и теоретически допустимую. В случае если высота преграды, сформированная орудием, будет равна теоретической, определяемой по формуле (8), то, следовательно, орудие работает максимально эффективно.
Далее определим зависимость для определения реальной высоты преграды в зависимости от параметров орудия.
Анализ источников литературы позволил установить, что существующие зависимости не учитывают всех особенностей формирования преграды, в связи, с чем возникает необходимость в их доработке, за счет исследования процесса формирования преграды. При получении требуемой зависимости будем считать, что объем снежной массы по сечениям в поперечно-вертикальной плоскости практически не меняется. Это допущение обосновано исследованиями ученых, в которых доказано, что снежная масса не уплотняется /41/.
Процесс формирования преграды осуществляется следующим образом. Отвалами снегопаха естественный снежный покров снимается и перемещается к центру снегопаха. На рисунке 2.4 (а) область 1-2-3-4-1 представляет собой естественный снежный покров. А области 1-5-7-1 и 2-6-8-2 соответственно снежную массу, формируемую отвалами. В процессе прохождения снега по отвалам области 1-5-7-1 и 2-6-8-2 увеличиваются в размере (рисунок 2.4 б). При этом угол а можем считать равным углу осыпания снега, так как скорость перемещения орудия незначительна для отбрасывания снега.
Далее мы может утверждать, что области 1-5-7-1 и 2-6-8-2 соединяются, формирую единую снежную массу (рисунок 2.46). После схода снежной массы с отвалов осыпается, формируя преграду. Проанализировав рассмотренную схему можно предположить, что максимальная высота преграды определяется высотой расположения точки 7 (рисунок 2.4 б), поскольку высота расположения точек 5 и 6 уменьшается вследствие осыпания.
Проведя анализ с точки зрения энергетических затрат на формирование преграды, можем утверждать, что указанные особенности работы снегопаха говорят о неэффективности его работы.
Дело в том, что при выходе снежной массы из орудия, при достаточном её количестве, возникают сложные её деформации, обусловленные действием отвалов орудия и собственным весом снега. Указанный факт, в свою очередь, обуславливает затраты энергии на бесполезные деформации снежной массы.
Для определения параметров преграды исследуем процесс осыпания снежной массы, формируемой валоформирующей частью снегопаха. При этом будет справедливо равенство (2). Однако в отличие от выражения (4) правая часть равенства (2) будет иметь несколько иной вид.
Порядок обработки результатов многофакторного эксперимента
Из анализа проведенных исследований и в результате собственных теоретических исследований было установлено, что количество накопленного снега в значительной степени определяется параметрами преград, сформированными при снегозадержании. Параметры преград, в свою очередь, определяются параметрами орудия для снегонакопления. В частности, было установлено, что высота вала, формируемого отвалами снегопаха, зависит от глубины хода отвалов и параметров валоформирующей части.
В связи с этим, нами были запланированы и проведены эксперименты по определению зависимости высоты вала от параметров экспериментального орудия для проверки соответствующего выражения, полученного при теоретическом исследовании.
В процессе теоретических исследований нами были получены зависимости параметров преград от параметров орудия.
С целью проверки этих зависимостей запланированы экспериментальные исследования. Методика исследований описана в пункте 3.2. Для проведения экспериментального исследования было использовано орудие для снегонакопления с регулируемой глубиной хода отвалов и шириной валоформирующего просвета, (рис 4.1) В качестве энергетического агрегата был выбран трактор Т-4А. Для проведения опытов был выбран ровный участок поля с равномерной толщиной снежного покрова. Агротехнический фон поля -стерня зерновых. Это обосновывается тем, что на этом фоне меньше разброс по толщине снега и точнее выдерживается глубина хода отвалов. Глубина хода отвалов регулировалась перестановкой опорных лыж и составляла от 0,05 м до 0,18 м. Указанный диапазон был определен исходя из агротехнических требований. Ширина валоформирующего просвета изменялась в диапазоне от 0,8 до 1,1 м. Для возможности регулирования ширины просвета крылья отвала установлены шарнирно. Процесс проведения эксперимента заключался в следующем. Агрегатировав энергетическое средство экспериментальным орудием были проведены настройки орудия по варьируемым параметрам, которые записывались в журнал эксперимента. Затем производилось формирование преград агрегатом на выбранном участке поля, соответствующем требованиям эксперимента. Длина обработанного участка составляла около 30 метров. Затем производилась перенастройка орудия и опыт повторялся. Следующим этапом эксперимента являлось определение параметров сформированных преград. Методом определения параметров являлось профилирование преград в плоскости, перпендикулярной к направлению движения и плоскости поля (поперечно-вертикальная плоскость). Замеры проводились в плоскости через каждые 10 см. Расстояние между измеренными плоскостями составляло 1,5-2 м. Для профилирования использовалась измерительная линейка. Точность измерений 5 мм. Параметры преград в зависимости от факторов эксперимента представлены в таблице 4.1. Результаты проведенных опытов, представленные в таблице свидетельствуют: Во-первых, высота преграды из снега зависит от глубины хода отвалов, что очевидно; Во-вторых, при ширине валоформирующего просвета 0,8 м и глубине хода отвалов 0,18 м происходит сгруживание снега, последующее заклинивание снежной массы в отвалах снегопаха и буксование трактора; В-третьих, при малой глубине хода отвалов профиль снежной преграды отличается от профиля треугольной призмы, что подтверждает предположения, полученные при теоретических исследованиях. Увеличение валоформирующего просвета на величину до 0,9 и 1,1 м следующим образом отразилось на результатах эксперимента: На малой глубине хода отвалов высота преграды не изменяется. Это обусловлено тем, что профиль преграды представляет собой двойную треугольную призму. Высота каждого из двух призм определяется только шириной захвата отвала. Однако увеличение валоформирующего просвета при увеличении глубины хода отвалов позволяет предотвратить сгруживание снежной массы в отвалах снегопаха, по крайней мере, при толщине снега до 0,18 м, что значительно улучшает эксплуатационные качества агрегата. Таким образом, проведенный эксперимент подтвердил предположения, полученные при проведении анализа формирования преград. То есть орудие для снегонакопления для эффективной работы должно иметь регулируемый валоформирующий просвет, что позволит расширить диапазон работоспособности орудия по толщине снега и повысить эксплуатационные качества орудия. Проанализировав результаты эксперимента можно установить, что: - высота преграды в значительной мере определяется соотношением глубины хода отвалов и ширины валоформирующей части снегопаха; - преграду максимальной высоты для данной глубины хода отвалов можно получить регулировкой ширины просвета валоформирующей части.
Результаты многофакторного эксперимента при определении оптимальных параметров снегопаха
Окончательное решение правильности гипотез, эффективности предлагаемых решений и необходимости или возможности внедрения могут дать сравнительные и производственные испытания предлагаемого орудия.
Комплексное исследование возможности и целесообразности использования разработанного орудия для снегонакопления проведено в производственных условиях путём сравнительной оценки работы экспериментального орудия с серийным СВУ-2,6. Кроме того, оценка эффективности установки направляющих пластин облегчалась за счет того, что они выполнены съемными и соответственно имелась возможность провести испытания, как с установленными направляющими пластинами, так и с демонтированными. Как и ожидалось, в соответствии с гипотезой установка направляющих пластин позволяла формировать требуемый профиль преграды, равномерно распределяя снежную массу по её высоте, что, в конце концов, обеспечивало формирование преграды с увеличенной высотой. Как известно, именно высота преграды оказывает наибольшее влияние на количество накапливаемого снега. і Эксперимент заключался в формировании преград двумя орудиями на поле. В качестве фона была выбрана стерня зерновых, поскольку в этом случае обеспечивается равномерность по глубине хода. Преграды орудиями формировались в случайном порядке для исключения случайных факторов, связанных с неравномерностью толщины снежного покрова и неровностей поля. Перед прохождением агрегатов на выбранной полосе производилось измерение исходной толщины снежного покрова. Измерение производилось в несколько повторностей, как по длине участка, так и по ширине. Результаты эксперимента представлены в таблице. Следует отметить, что при проведении производственных испытаний в работе экспериментального орудия не было нарушений технологического процесса. Орудие формировало преграды, не допуская сгребания и заклинивания снежной массы. В процессе эксперимента было установлено, что, как и следовало ожидать, экспериментальное орудие более приспособлено к работе на полях со значительной вариацией толщины снежного покрова. Это объясняется профилированием снежной массы по высоте преграды. Серийное же орудие при работе допускает сгребание снежной массы при увеличении толщины снега более 20...26 см в зависимости от свойств снега. Это связано с тем, что при формировании преграды снежная масса подвергается действию сложного объемного напряжения, что в свою очередь приводит заклиниванию снега, сгребанию его орудием и последующей потери работоспособности орудия для снегонакопления. Результаты производственных испытаний экспериментального орудия по влиянию на накопление снега, влаги и урожайность сельскохозяйственных культур Окончательное заключение в пользу экспериментального орудия могут дать эксперименты по влиянию его работы на накопление снега на полях, влаги в почве и урожайность сельскохозяйственных культур. С целью получения этих важных с точки зрения внедрения орудия в производство зависимостей, окончательной оценки конструкции предлагаемой модернизации, с целью определения агротехнических показателей его работы и степени влияния на накопление влаги и урожайность сельскохозяйственных культур были проведены сравнительные производственные испытания орудия. Общий вид экспериментального орудия представлен на рисунке 4.7. Общий вид модернизированного снегопаха Испытания проводились в ООО «Затонное» Илекского района Оренбургской области. Эксперимент проводился в несколько этапов. На первом этапе был выбран участок для обработки. На этом участке перед предполагаемым выпадением зимних осадков были проведены опыты по определению запасов влаги по слоям. Этот опыт необходим для оценки количества влаги, накопленной в почве за счет механизированного снегозадержания. На следующем этапе осуществлялись мероприятия по накоплению снега. При этом во второй декаде января на экспериментальном поле была произведена обработка поверхности экспериментальным и серийным орудием (рисунок 4.8). Также в качестве контроля осуществлялось определение необходимых параметров на необработанном поле.
