Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы ухода за почвой в садах, цель и задачи исследований 14
1.1 Направления интенсификации промышленных плодовых насаждений 14
1.1.1 Основные типы садов и их технологические особенности 14
1.1.2 Системы содержания почвы в садах 18
1.2 Развитие технологий и технических средств для ухода за почвой в садах 22
1.2.1 Механизированная обработка междурядий 22
1.2.1.1 Орудия для основной обработки почвы 25
1.2.1.2 Орудия для поверхностной обработки почвы 29
1.2.1.3 Устройства для скашивания и измельчения травы 33
1.2.2 Механизированная обработка приствольных полос 39
1.2.2.1 Устройства для механической обработки 42
1.2.2.2 Гербицидные штанги для химической обработки 55
1.2.2.3 Устройства для скашивания травы в рядах деревьев 58
1.3 Постановка проблемы. Направления совершенствования технологий ухода за почвой в садах на слаборослых подвоях 59
1.3.1 Проблемная ситуация при уходе за почвой в слаборослых садах 59
1.3.2 Совершенствование технологий ухода за почвой 64
1.4 Выводы. Цель и задачи исследований 70
2 Обоснование ресурсосберегающих технологий, параметров и режимов работы технических средств 73
2.1 Исходные положения при проектировании комплекса машин для ресурсосберегающего ухода за почвой в садах 73
2.2 Защитная зона рядов деревьев при обработке почвы в интенсивных садах 74
2.3 Обоснование возможности использования для содержания междурядий под черным паром орудий общего назначения 82
2.4 Технологическая схема, параметры и режимы работы машины для механической обработки приствольных полос
2.4.1 Конструктивные параметры поворотной фрезерной секции с вертикально-роторными рабочими органами 84
2.4.2 Технологические параметры рабочих органов
2.4.2.1 Элементы кинематики вертикально-роторной поворотной секции 86
2.4.2.2 Динамика рабочих органов при обходе штамба
2.4.3 Моделирование процесса обработки почвы поворотной секцией 94
2.4.4 Технологический процесс и схема машины 100
2.5 Исследование рабочего процесса и обоснование параметров гербицидной штанги для химической обработки приствольных полос сада 102
2.5.1 Рабочий процесс штанги с шириной, допускающей ее свободный проход между рядами деревьев 104
2.5.2 Исследование гербицидной штанги с отклоняющимися секциями
2.5.2.1 Анализ движения отклоняющейся секции у штамба 105
2.5.2.2 Составляющие и суммарная площадь огреха 108
2.5.2.3 Вылив раствора по площади огреха 116
2.5.3 Технологический процесс и схема перспективного уст
ройства, исключающего образование огреха в приштамбо вой зоне 124
2.5.3.1 Степень неравномерности излива по ширине ленты 124
2.5.3.2 Технологический процесс и схема устройства 129
2.6 Технологическая схема, параметры и режимы работы косилки для мульчирования приствольных полос 132
2.6.1 Кинематика ротационного режущего аппарата 133
2.6.2 Исследование взаимодействия стебля с лопастью ножа
2.6.2.1 Движение стебля при упругом ударе о лопасть ножа 136
2.6.2.2 Движение стебля по отбивающей пластине ножа 137
2.6.3 Определение направления перемещения скошенной массы 145
2.6.4 Определение дальности полета скошенной массы 149
2.6.5 Моделирование процесса мульчирования приствольных полос травой, скашиваемой в междурядьях. Технологический процесс и схема косилки 156
2.7 Выводы по разделу 159
Программа и методики экспериментальных исследований 161
3.1 Программа исследований 161
3.2 Характеристика объектов исследований, условий проведения опытов, используемых приборов и аппаратуры
3.2.1 Обработка приствольных полос поворотной фрезерной секцией 162
3.2.2 Оборудование для исследования процесса внесения растворов гербицидов в приствольные полосы 163
3.2.3 Ротационный режущий аппарат с отбивающими пластинами на ножах 165
3.3 Методы исследования, обработки и анализа полученных данных 169
3.4 Последовательность проведения экспериментов 174
3.4.1 Исследование машины для обработки приствольных полос 174
3.4.1.1 Оптимизация кинематики поворотной секции при обходе штамба 174
3.4.1.2 Исследование качественных показателей работы 178
3.4.2 Исследование щелевых распылителей гербицидных штанг 182
3.4.3 Исследование ротационного режущего аппарата для мульчирования приствольных полос 1 3.4.3.1 Исследование влияния конструктивных параметров отбивающих пластин и высоты травостоя на дальность вылета скошенной массы 183
3.4.3.2 Исследование равномерности сформированного мульчирующего слоя 185
Результаты и анализ экспериментальных исследований 188
4.1 Исследование процесса механической обработки приствольных полос 188
4.1.1 Кинематика поворотной фрезерной секции при обходе штамба 188
4.1.2 Качественные показатели работы 194
4.1.2.1 Подрезаемость сорняков 194
4.1.2.2 Крошение почвы, микрорельеф обработанной полосы и энергоемкость процесса 197
4.1.3 Производственная проверка работоспособности экспери ментального образца машины 207
4.2 Исследование штанги для внесения растворов гербицидов в приствольные полосы 209
4.2.1 Результаты исследования щелевых распылителей 209
4.2.2 Производственная проверка гербицидной штанги 210
4.3 Исследование косилки для мульчирования приствольных полос 212
4.3.1 Результаты исследования ротационного режущего аппарата 212
4.3.1.1 Влияние конструктивных параметров отбивающих пластин и высоты травостоя на дальность вылета скошенной массы 212
4.3.1.2 Исследование равномерности сформированного мульчирующего слоя 217
4.3.2 Производственная проверка опытного образца косилки 222
4.4 Выводы по разделу 224
5 Оценка эффективности и внедрение результатов исследований 226
5.1 Оценка эффективности предлагаемых технологий и технических средств 226
5.1.1 Содержание почвы под черным паром 229
5.1.2 Содержание почвы под залужением междурядий 230
5.2 Практическая реализация разработанных технических средств и технологий 231
5.3 Выводы по разделу 234
Общие выводы 235
Список использованных источников
- Механизированная обработка междурядий
- Защитная зона рядов деревьев при обработке почвы в интенсивных садах
- Рабочий процесс штанги с шириной, допускающей ее свободный проход между рядами деревьев
- Производственная проверка работоспособности экспери ментального образца машины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Садоводство является важнейшей отраслью сельского хозяйства, которая обеспечивает население плодами и ягодами – одним из основных источников витаминов, минеральных веществ и биологически активных соединений, крайне необходимых для нормального функционирования человеческого организма.
Тенденция развития садоводства показывает, что в настоящее время осуществляется переход от экстенсивных сильнорослых насаждений к интенсивным насаждениям на слаборослых клоновых подвоях. Они раньше вступают в плодоношение, имеют малогабаритную крону, удобную для ухода и сбора урожая, формируют высококачественные плоды и в 1,5–2 раза повышают эффективность производства. В зарубежной практике садоводство полностью переведено на слаборослые насаждения. В России они занимают менее 20% площади садов.
Одной из причин создавшегося положения является отсутствие современных средств механизации для выполнения технологических операций в слаборослых садах, особенно при уходе за почвой. Использование разработанных ранее орудий в таких садах является малоэффективным. Поверхностное залегание корневой системы, узкие междурядья, небольшое расстояние между деревьями в ряду, малая величина для свободного прохода машинно-тракторных агрегатов создают дополнительные сложности, особенно при обработке приствольных полос. Исключить эти операции из уходных работ невозможно, так как засоренность приствольных полос в таких насаждениях снижает урожайность на 20–25% (по отдельным сортам до 50%) и приводит к потерям во время уборки. Поэтому проблема повышения эффективности ухода за почвой в интенсивных садах на слаборослых подвоях путем совершенствования технологий и технических средств является актуальной.
Работа выполнена в рамках следующих планов, договоров и программ:
Плана научно-исследовательских работ Мичуринской государственной сельскохозяйственной академии (рег. № 01.9.20 006573) и договора с МСХ РФ на тему «Разработать машину для обработки межствольных полос», 1994–1997 гг.;
Плана НИР ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» по теме «Разработать рациональные технологии производства и использования с.-х. сырья», входящей в число основных направлений научно-технической и инновационной деятельности, являющихся приоритетными для города Мичуринска – наукограда Российской Федерации, 2000–2005 гг.;
Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006–2010 гг. (задание IV.11.03 – Разработать новые ресурсосберегающие, экологически безопасные и экономически обоснованные технологии производства, переработки и хранения продукции садоводства и виноградарства, реально конкурентоспособные на потребительском рынке);
Государственных контрактов с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 4894р/7172 от 27.03.2007 «Разработка машины для обработки приствольных полос в интенсивных садах» (рег. № 01.2.007 05561), № 6221р/7172 от 30.09.2008 «Разработка косилки для мульчирования приствольных полос в садах» (рег. № 01.2.009 00639) на выполнение НИОКР по проекту № 7172 (заявка № 07-1-Н5.7-0027) «Разработка и производство комплекса машин для ресурсосберегающего ухода за почвой в интенсивных садах», с 2007 года по настоящее время.
Цель работы – повышение эффективности ухода за почвой в интенсивных садах путем совершенствования технологий и технических средств.
Объекты исследований – технологические процессы, машины для ухода за почвой в садах и их рабочие органы.
Предмет исследований – закономерности функционирования рабочих органов машин при уходе за почвой в садах.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования процессов работы машин. В экспериментальных исследованиях нашли применение дисперсионный анализ и теория планирования эксперимента. Обработка результатов осуществлялась методами регрессионного анализа. Использовались серийные и специально изготовленные приборы, аппаратура и стенды. Эффективность разработок оценивалась методом энергетического анализа технологических процессов.
Научная новизна работы:
Исследованы условия работы технических средств в садах на слаборослых подвоях. Обоснован способ обработки почвы (патент РФ № 2137328), позволяющий использовать в междурядьях орудия общего назначения.
Предложены математическая модель и методика расчета параметров и режимов работы поворотной фрезерной секции с обходом штамбов от реакции с почвой. Разработана конструктивно-технологическая схема машины для обработки приствольных полос (патенты РФ № 2075269, № 2081531, № 2132599, № 2137327, № 2272388, № 2350065, № 2335109, № 2326516).
Определены теоретические зависимости качества химической обработки приствольных полос от конструктивных параметров гербицидной штанги. Предложены методика оценки и способ снижения неравномерности излива растворов гербицидов по ширине обрабатываемой полосы. Разработана конструктивно-технологическая схема гербицидной штанги, исключающая огрехи в приштамбовой зоне (патенты РФ № 2218763, № 2282990, № 2350065).
Установлены закономерности работы ротационного режущего аппарата, обеспечивающего перемещение скашиваемой массы в направлении ряда. Обоснованы оптимальные параметры и режимы его работы. Предложена конструктивно-технологическая схема косилки для мульчирования приствольных полос травой, скашиваемой в залуженных междурядьях интенсивных садов (патенты РФ № 2265984, № 80092).
Практическую значимость имеют:
технологические приемы, обеспечивающие повышение урожайности и снижение энергозатрат на содержание почвы в интенсивных садах;
рекомендации по использованию для обработки междурядий в слаборослых садах машин общего назначения;
комплекс специальных машин для механической и химической обработок приствольных полос и мульчирования приштамбовой зоны;
Реализация результатов исследований.
Результаты исследований послужили основой для разработки рекомендаций «Обработка межствольных полос в садах поворотной секцией с вертикально-роторными рабочими органами», которые одобрены НТС МСХ РФ, приняты отделом механизации ГНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Россельхозакадемии», инженерным центром ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии» для продолжения по ним опытно-конструкторских работ с последующим изготовлением машин.
Техническая документация на машину для обработки приствольных полос в садах использована при освоении ее производства в АО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов).
В 2007 году для реализации разработанных технологических и технических решений создано Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственный центр «ТехноСад»», которым в рамках государственных контрактов с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере начато производство техники по заявкам потребителей.
По материалам исследований издана работа «Энергосберегающая технология и комплекс машин для обработки почвы в интенсивных слаборослых садах», допущенная Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по агроинженерным специальностям.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях: Мичуринской ГСХА (1994, 1996-1998 гг.), Тамбовского ГУ (1995 г.), Воронежского ГАУ (1995 г.), Санкт-Петербургского ГАУ (1995 г.), Саратовского ГАУ (1997, 2005 гг.), ВСТИСП (Москва, 1998, 2003 гг.), ВИМ (Москва, 2001 г.), СКЗНИИСиВ (Краснодар, 2002 г.), ВИИТиН (Тамбов, 2005 г.), Челябинского ГАУ (2006 г.), ВНИИС им. И.В. Мичурина (Мичуринск, 2006 г.), Мичуринского ГАУ (2000, 2003-2009 гг.).
Энергосберегающая технология обработки почвы в интенсивных садах была представлена на ВВЦ (Москва, 2001 г.). Образцы разработанных машин демонстрировались на Всероссийских семинарах-совещаниях по садоводству (Мичуринск, 1995, 2005 гг.), выездном заседании НТС МСХ РФ (1996 г.), всероссийских выставках «День садовода» (Мичуринск, 2006–2009 гг.), где были отмечены золотыми медалями ВВЦ (2008 г. – машина для обработки приствольных полос и косилка для их мульчирования, 2009 г. – гербицидная штанга).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 12 – в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 14 – в описаниях к патентам на изобретения, 1 – в качестве учебного пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (212 наименований, из них 25 на иностранных языках) и приложений. Работа изложена на 315 страницах, содержит 118 рисунков, 38 таблиц, 29 приложений.
Механизированная обработка междурядий
Установлено [151], что для создания оптимальных условий плодовым деревьям система содержания почвы должна обеспечить: - плодовые деревья влагой для поддержания роста и плодоношения, а также способствовать высокой устойчивости растений к низким температурам; - растения питательными веществами путем пополнения обычно недостающего их запаса в почве, чтобы деревья имели непрерывно действующий источник минерального питания с учетом их потребностей; - почву воздухом, который необходим для хорошего роста корней, глубокого проникновения их в почву, нормального функционирования и жизнедеятельности микроорганизмов почвы; - сохранение выровненного микрорельефа междурядий; - защиту почвы от водной и ветровой эрозии. Выполнение этих требований возможно при внедрении приемов, направленных на сохранение и восстановление структуры почвы, уничтожение сорной растительности.
В настоящее время наиболее распространены системы содержания почвы в садах под черным паром и под залужением многолетними травами [42].
Система содержания почвы под черным паром, используемая в регионах с недостаточным и неустойчивым естественным увлажнением почв атмосферными осадками. Она складывается из регулярных глубоких и поверхностных обработок всех зон междурядий. Глубокую обработку (вспашку) проводят, как правило, осенью. В сильнорослых насаждениях глубина ее составляет 20...22 см. В слаборослых, ввиду неглубокого расположения корневой системы, - 15... 18 см. Поверхностная обработка включает в себя весеннее боронование, 4—5-ти кратную культивацию (дискование) и обработку приствольных полос.
Система черного пара обеспечивает благоприятные условия для роста и плодоношения насаждений, однако у нее есть недостатки. Одно из требований паровой системы - сохранение выровненного микрорельефа междурядий. Производственный же опыт показывает, что смещение почвы плугами и дисковыми боронами из междурядий приводит к образованию в рядах деревьев холмиков высотой до 18...20 см. Кроме того, при содержании почвы под черным паром существует вероятность возникновения ветровой и водной эрозий. Для снижения эрозионных процессов необходимо дискование чередовать с культивацией [55].
Эффективным противоэрозионным средством является залужение, которое может быть осуществлено различными вариантами содержания почвы в междурядьях и приствольных полосах [147].
При сплошном способе залужения в рядах и междурядьях плодовые растения и травяной покров конкурируют за воду и элементы питания. Это в большей степени проявляется в слаборослых садах, плодовые растения которых имеют неглубокое расположение корневой системы [93].
Орловским НИИ садоводства рекомендован способ залужения почвы через междурядье. При этом одна половина корней плодовых деревьев находится в междурядье, содержащемся под залужением, другая - в почве смежного междурядья, содержащемся под черным паром. Через 2-3 года способ содержания почвы в междурядьях меняется. В результате решается ряд проблем, связанных с восполнением почвенного плодородия, баланса гумуса, и появляется возможность получить некоторые положительные эффекты обеих систем содержания почвы. Однако и в такой схеме неизбежна конкуренция плодовых растений с травяным покровом.
В интенсивных садах получил распространение способ залужения только свободной части междурядий и содержания почвы в приствольных полосах под черным паром, исключая любую растительность, кроме плодовых деревьев [147]. При этом высвобождается площадь питания под кронами, улучшается водный и воздушный режимы почвы непосредственно там, где размещена основная масса корней. В междурядьях сохраняется технологическая основа для передвижения техники, используемой для уходных работ в саду: защита от вредителей и болезней, проведение подкормок, осуществление орошения и других. В интенсивных садах, в сравнение с экстенсивными, количество таких передвижений значительно больше. Залужение почвы в междурядьях особенно необходимо для сбора и транспортировки плодов. При этом исключается уплотнение почвы. В зарубежных странах с высоким уровнем садоводства залужение междурядий является обязательным приемом.
Наибольшее распространение получила форма залуження междурядий в виде газоноподобного покрытия, создаваемого мятликовыми (злаковыми), бобовыми травами или их смесями [147]. При этом упрощается регламент уходных работ за сеяными травами, располагаемыми только в междурядьях, которые систематически скашивают (злаковые — 5—7 раз, бобовые — 1—2, реже Ъ—А раза за сезон). Почву в рядах деревьев обрабатывают механическими устройствами или химическими опрыскиваниями (гербицидами).
Таким образом, систему содержания и обработки почвы выбирают с учетом типа, конструкции и возраста насаждений, особенностей почвенных и климатических условий местности. В регионах с недостаточным количеством атмосферных осадков наиболее распространенным является черный пар, который обеспечивает поддержание оптимальных почвенных условий для роста и развития плодовых растений. В зонах с достаточным увлажнением и при искусственном орошении - залужение междурядий и содержание почвы в приствольных полосах под черным паром. Способ содержания почвы определяет комплекс технических средств воздействия на элементы междурядий в промышленных садах.
Защитная зона рядов деревьев при обработке почвы в интенсивных садах
Выдвижные секции почвообрабатывающих машин с пассивными рабочими органами могут быть снабжены ножевыми, лемешными, дисковыми рабочими органами и стрельчатыми культиваторными лапами. В нашей стране они представлены выпускавшимися промышленностью садовыми культиваторами КСШ-5, КСШ-5Б [115], КСЛ-5 [55], КСГ-5 [91] и КСМ-5 [156], а также приспособлением для обработки межствольных полос ПМП-0,6 [94]. Рабочий орган указанных машин выполнен в виде поворотной ножевой лапы, а у культиваторов КСШ-5Б и КСЛ-5 — в виде стрельчатых лап. В качестве примера выдвижного рабочего органа лемешного типа можно привести опытный образец садового плуга, разработанного И.Б. Беренштейном [13], рабочие органы французских культиваторов DECASOL, LAPORTE [203] и итальянского культиватора DECAFRUIT [188].
Дисковые рабочие органы представлены разработанной во ВНИИС им. И.В. Мичурина выдвижной секцией СДВ-1,0 [56], а также дисковой бороной БДС-0,4 с гидроследящим устройством, разработанной НПО «Кодру» (г. Кишинев) [21]. Описание одного из образцов зарубежных выдвижных дисковых секций приведено в работе Domenico Cobianchi [194].
Из перечисленных устройств в систему машин было включено приспособление для обработки межстволъных полос ПМП-0,6. Присоединяется оно к навеске, монтируемой сбоку на тракторе МТЗ-80 и Т-70В. Заднюю навеску трактора можно использовать для одновременного агрегатирования орудий, обрабатывающих междурядье.
Приспособление состоит (рис. 1.16) из сменных навесок (для трактора МТЗ-80 и трактора Т-70В), рамы, шарнирно присоединяемой к навеске и имеющей опорное колесо, и поворотного плоскорезного ножа. Имеется гидросистема для управления работой ножа и подъема его в транспортное положение. Рама имеет телескопическое соединение, позволяющее менять вели
Поворотный нож шириной захвата 0,65 м снабжен рыхлителями и обеспечивает глубину обработки до 12 см. В процессе работы располагается в ряду деревьев. При подходе к штамбу и взаимодействии с ним щупа следящей системы, поворотный нож гидроцилиндром выводится из линии ряда, а после схода щупа со штамба обратно вводится в ряд. Защитная зона у штамба после двухсторонней обработки ряда составляет 0,33.. .0,52 м".
Изучение работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных обработке почвы в рядах многолетних насаждений, позволило сделать вывод о том, что выдвижные секции с пассивными рабочими органами обладают рядом существенных недостатков. Так, выдвижные секции с ножевыми и стрельчатыми рабочими органами плохо работают при наличии возвышения почвы в приствольной полосе, на твердых почвах и в условиях сильного засорения, в особенности корневищными сорняками, где ножевая секция не заглубляется вообще [50, 95, 140]. Такая обработка не обеспечивает соблюдениє требований, предъявляемых к структурному составу почвы. Большое тяговое сопротивление вынесенного в сторону рабочего органа ухудшает курсовую устойчивость агрегата [129].
Выдвижные секции с дисковыми рабочими органами оставляют непод-резанными значительное количество многолетних сорняков [50, 56]. При боковом перемещении во время обхода штамба дерева такой секцией изменяется угол атаки дисков, что приводит к нарушениям микрорельефа приствольных полос [130], а на твердых почвах возникающие боковые усилия приводят к поломкам дисков [4].
Практическое использование рабочих органов лемешного типа показало, что плулшые корпуса хорошо рыхлят почву и заделывают растительные остатки. Однако при работе они выносят почву из ряда деревьев, нередко оголяя и повреждая корневую систему. Кроме того, при летних обработках ввиду оборота пласта сильно иссушается почва, что недопустимо для зон с недостаточным увлажнением.
В производственных условиях могут работать устройства с активными рабочими органами - фрезами. Они обладают рядом преимуществ, чем и обусловлено их более широкое (особенно за рубежом) применение. По данным многих исследователей [16, 47, 135, 145, 180], фрезерование обеспечивает высокое качество рыхления и способствует лучшему сохранению почвенной влаги. При этом гораздо полнее подрезается сорная растительность [143, 160, 165, 182], увеличивается микробиологическая активность почвы [44, 89]. Установлено, что при обработке почвы в ряду многолетних растений фрезы меньше повреждают корни [202]: не рвут, а перерезают их, то есть меньше травмируют.
Выдвижные секции машин для обработки почвы в рядах многолетних насаждений могут иметь в качестве активного рабочего органа два типа фрез — с горизонтальным и вертикальным валом вращения. В качестве устройства, имеющего рабочий орган с горизонтальной осью вращения, в системе машин представлена фреза садовая ФА-0,76. Она имеет (рис. 1.17) фрезерный барабан 2 с горизонтальной осью вращения, шириной захвата 0,76 м. Рама 9 монтируется на навеску трактора через паралле-лограммный механизм 11, 15, с гидроцилиндром 14, который вдвигает фрезерный барабан в ряд и выдвигает его при обходе штамба. Для управления этим процессом предусмотрен масляный насос 6, приводимый от В ОМ трактора и соединенный через гидрораспределитель 4 с силовым цилиндром 14. Гидрораспределитель 4 управляется щупом 1. - щуп; 2 -ротор; 3, 10 - валы карданные; 4 - гидрораспределитель; 5 -предохранительная муфта; 6-насос; 7 - редуктор конический; 8-шланги; 9 - несущий брус; 11, 15 - звенья параллелограмма продольные; 12 -указатель; 13 - брус передний; 14 - гидроцилиндр; 16 -полозки Рисунок 1.17 - Фреза почвенная с автоматически отклоняющейся секцией ФА-0,76:
В процессе работы фрезерный барабан 2, вращаясь с частотой 300 об/мин, располагается в ряду деревьев. При подходе к штамбу щуп 1 воздействует на гидрораспределитель 4, и фрезерный барабан выдвигается из ряда деревьев. После схода щупа со штамба барабан вдвигается в ряд. Это происходит около каждого дерева. Данная фреза импортировалась до 1985 года из Болгарии. Активные рабочие органы этой машины обеспечивали качественное крошение почвы и подрезание сорной растительности при любой засоренности.
Известно, что фрезы с горизонтальным валом вращения, обладающие такими положительными сторонами, как хорошее перемешивание слоев почвы, заделка растительных остатков и подталкивающий эффект при резании сверху вниз, не лишены и недостатков. Им свойственен нерациональный расход мощности. Установлено, что при установке защитного кожуха мощность на привод фрезерного барабана увеличивается на 31% [46]. Горизонтальные фрезы труднее вводить и выводить из межствольного пространства. Болгарскими исследователями установлено [144], что в процессе отвода выдвижной секции расходуемая на привод мощность возрастает на 25...30% вследствие смятия почвы плоскими боковыми гранями ножей. Подтверждением этого является деформация крайних ножей фрезерного барабана, наблюдавшаяся при испытаниях садовой фрезы ФС-0.9 [129]. На почвах твердостью 3.5...5.0 Мпа, по данным ЕЛ. Яцука [186], горизонтальные фрезы практически не заглубляются.
Фрезы с вертикальным валом вполне работоспособны на твердых почвах. Их рабочий орган, в зависимости от величины подачи на нож, может совершать полезную работу на протяжении всей траектории движения ножей. При этом нижние слои почвы не выносятся на поверхность, что способствует лучшему сохранению почвенной влаги [69]. Фрезы с вертикальным валом вращения не заделывают в почву растительные остатки, а, наоборот, извлекают их на поверхность [203]. Именно это качество является важным преимуществом при обработке почвы в рядах деревьев, очень часто засоренных многолетними корневищными сорняками. Рабочий орган с вертикальной осью вращения удобно отводить от деревьев и вводить в межствольное пространство. Конструктивные особенности этих фрез позволяют близко подводить их к штамбам многолетних растений, оставляя минимальную защитную
Рабочий процесс штанги с шириной, допускающей ее свободный проход между рядами деревьев
На величину защитной зоны влияют отклонения агрегатов от прямолинейного направления при движении, а также отклонения деревьев от линии ряда и их размерные характеристики (рис. 2.2) [102]. Эти показатели определяли в учхозе «Комсомолец» Мичуринского агроуниверситета на яблонях сортов Синап северный, Антоновка обыкновенная и Уэлси, привитых на подвоях 54-118 (полукарликовых) и 62-396 (карликовых). Использовали методику на основе ОСТ 70.8.8-82.
Для оценки прямолинейности ряда деревьев использовали тонкий прочный шнур длиной 50-55 м, несколько небольших кольев и линейку длиной 1,5 м с ценой деления 0,5 см. На расстоянии 1 м от середины штамбов крайних (на длине 50 м) деревьев натягивали шнур и проводили замеры X/, Хг,..., xh ..., х„ до середины штамба каждого дерева. Разность между заданным и полученным расстояниями показывала отклонение от оси ряда.
При измерении высоты штамба плодового дерева пользовались линейкой длиной 1 м с погрешностью измерения 2,5 мм. За высоту штамба принимали.расстояние по оси дерева от поверхности почвы в ряду до нижней скелетной ветви.
Вертикальность расположения штамбов определяли как угол его отклонения от вертикали в градусах. Известно, что направление наклона штамбов подчиняется закону равной вероятности [23]. Поэтому замеры производили в направлении наклона, считая, что полученные результаты с равной вероятностью могут быть применимы как для отклонений в направлении ряда, так и в сторону междурядья.
Измерения проводились с помощью угломера с погрешностью 0,5, снабженного отвесом. Этим же прибором определяли углы отхождения нижних скелетных ветвей от штамба.
Способность агрегата двигаться точно в заданном направлении (в садах — параллельно рядам плодовых деревьев) характеризует его устойчивость. Отклонения от прямолинейного направления движения 53 приводят к повреждению плодовых деревьев. Методика исследования прямолинейности движения агрегатов предусматривала замеры расстояний от линии ряда деревьев до следа, оставляемого орудием или специально изготовленным приспособлением. Последнее состояло из консольного бруса, навешиваемого на заднее навесное устройство трактора, с закрепленным на нем ножом, изготовленным из стойки культиваторной лапы. След, оставляемый ножом, узкий, что обеспечивало достаточно точные замеры. Опыты проводили при движении агрегата с указателем, без указателя и по вешкам. Для каждого варианта выделяли 4-6 междурядий. Указатель крепили на передний брус трактора с вылетом от продольной оси на Уг ширины междурядий. Его конец, гибкий или подпружиненный, во время работы касался штамбов деревьев и способствовал движению на одинаковом расстоянии от ряда.
Для движения по вешкам в каждом междурядье по центру через 50...70 м ставились колья. Линия, образованная вешками, служила ориентиром для движения агрегата. Этот вариант использовался для сравнения - в производственных условиях он не применяется.
Во время движения без указателя тракторист выдерживал примерно одинаковое расстояние от рядов деревьев «на глаз».
Скорость работы агрегатов изменяли от 5 до 14 км/ч. Расстояние между деревьями в ряду составляло от 2 до 4 м.
Показатели прямолинейности ряда плодовых деревьев Шаг посадки, м Расстояние до базисной линии, м задано фактически получено M+ni ±о 1,5 2,0 3,0 1,00 1,00 1,00 0,995±0,006 0,991±0,007 0,988±0;007 0,058 0,066 0,071 Основные показатели, вычисленные по результатам замеров расстояний от середины штамбов до натянутого шнура (Приложение 3), характеризующие прямолинейность рядов, приведены в таблице 2.1. Полученные данные показывают, что отклонения деревьев от осевой линии Sx достигают 0,18...0,22 м. Это соответствует требованиям к механизированной посадке сада, согласно которым допускаются отклонения до 0,21 м от линии ряда [96].
На величину защитной зоны влияют и наклоны штамбов, характерные для слаборослых насаждений, особенно в сторону междурядья. Наклоны штамбов увеличивают защитную зону на величину: 52 = h sin а, (2.2) где h - высота штамба, м; a - угол отклонения штамба от вертикали, град. Результаты исследований размерных характеристик слаборослых деревьев, вычисленные по распределениям их значений (Приложение 4), сведены в таблицы 2.2 и 2.3. Из таблицы 2.2 видно, что отклонения штамбов яблони от вертикали (±Зо ) достигают 16 у пол у карликовых и 20 у карликовых деревьев. Также установлено, что высота штамбов у слаборослых деревьев находится в пределах от 0,24 до 0,65 м. Большинство деревьев имеет высоту штамба 0,40...0,50 м. Около 15% - менее 0,40 м, хотя это и не соответствует требованиям, предъявляемым к посадочному материалу (ГОСТ 28055-89).
Производственная проверка работоспособности экспери ментального образца машины
Планируя эксперимент, необходимо найти число повторностей опытов при определении измеряемой величины. В литературе известно несколько методов определения необходимого числа повторностей [1, 66, 70].
В наших исследованиях число повторностей каждого опыта находилось графо-аналитическим методом, предложенным А.Л. Митковым [127], на основании принятой доверительной вероятности (надежности) и среднеквад-ратического отклонения, рассчитанного по результатам установочных опытов.
Так, при полевых исследованиях кинематики и динамики секции при обходе штамба для доверительной вероятности 95% необходимо было реализовать по девять повторностей каждого опыта. Эксперименты по изучению энергетических показателей машины проводили непосредственно в междурядьях сада по созданной многолетними периодическими культивациями однородной почве, замеры регистрировались непрерывно в каждом опыте на пути не менее 25 м. Поэтому было получено сравнительно невысокое для исследований почвообрабатывающих машин значение средиеквадратического отклонения изучаемых параметров. Это позволило гарантировать довери 170 тельную вероятность 90% при четырехкратной повторности опыта. При исследовании качественных показателей данные установочных опытов показали необходимость шестикратной повторности экспериментов.
В лабораторных исследованиях щелевых распылителей и ротационного режущего аппарата опыты проводили в трехкратной повторности при доверительной вероятности 95%.
В качестве метода анализа изучаемых технологических процессов была принята теория планирования многофакторного эксперимента — метод построения математических моделей различных управляемых процессов, позволяющий значительно уменьшить число опытов, а, следовательно, время и средства на их проведение. Такая модель объекта исследования обычно представляется в виде полинома (уравнения регрессии), чаще всего первой или второй степени [1, 70] y = b0+YJbrxi +YJbijXiXj+Y.h (3.1) / i j і где у — выборочная оценка (критерий оптимизации); х„ xj — значения факторов; Ьд — свободный член, равный выходу в нулевой точке плана; hi — коэффициенты регрессии соответствующих факторов, характеризующие влияние того или иного фактора на изучаемый объект; bij — коэффициенты регрессии соответствующих факторов двойного взаимодействия; Ьн — коэффициенты регрессии соответствующих факторов квадратичного взаимодействия. Такая постановка задачи позволяет оценить долю влияния каждого фактора и взаимодействия тех или иных факторов на критерий оптимизации исследуемого процесса. Это весьма существенно при исследованиях сельскохозяйственных процессов и машин, когда экспериментатор ограничен во времени сезонностью работ и нестабильностью условий их проведения. Кроме того, при работе сельскохозяйственных машин действуют разнородные факторы, которые с помощью теории планирования эксперимента можно связать в единую зависимость.
К настоящему времени предложено множество планов проведения экспериментов, каждый из которых отвечает различным критериям оптимальности. Применение того или иного типа планов в зависимости от особенностей задачи (требований к статистическим свойствам получаемой модели) и имеющихся экспериментальных возможностей требует соответствующего обоснования. Рекомендации по выбору планов проведения экспериментов приводятся в специальной литературе [10, 38, 39, 98]. Мы использовали такие планы, которые требуют наименьших затрат на реализацию эксперимента и обеспечивают простоту вычисления коэффициентов модели. Обоснование планов для соответствующих групп опытов, предусмотренных программой наших исследований, излагается ниже. Здесь же освещаются только общие методы проведения экспериментов и анализа полученных данных.
Коэффициенты регрессии математической модели (3.1) рассчитывали на ЭВМ по стандартным программам регрессионного анализа [17, 18, 86]. При этом считали, что для технических исследований при нахождении зависимостей различных факторов достаточна доверительная вероятность р = 0,7. ..0,9 [124].
Статистическая оценка полученных математических моделей исследуемых процессов проводилась в соответствии с методами регрессионного анализа. Основой такой оценки является ошибка опыта или, точнее, дисперсия воспроизводимости, определение которой зависит от схемы организации эксперимента: - по дисперсиям дублирующих опытов с одним измерением в каждом; - по дисперсиям всех опытов с учетом повторностей измерений в каждом.
В последнем случае проверялась гипотеза об однородности дисперсий по G-критерию Кохрена. Для этого расчетное значение критерия определяли по формуле [124] где Зуит!Л — наибольшая построчная дисперсия; N„ zl yu - сумма построчных дисперсий. и=\ Построчные дисперсии S yu определяли по формуле [124] Slu=- , (3.4) где yug — результат g-ro повторения и-го опыта; у — среднее арифметическое значение критерия оптимизации всех дублей и-го опыта. Оценка значимости коэффициентов математических моделей проводилась путем построения доверительных интервалов для коэффициентов регрессии по /-критерию Стьюдента, которые определяли по формулам Або = ±tSb0, Щ = ±tSbi, Abtj = ±tSbij, Abu = ±tSK , (3.5) где t — критерий Стьюдента берется из таблиц [1, 124] в зависимости от уровня значимости а и числа степеней свободы fu=nu-l при определении дисперсии опыта. Коэффициент считается статистически значимым, когда его абсолютная величина больше доверительного интервала, то есть выполняется следующее условие: ЬІ АЬІ. Смысл последнего неравенства заключается в том, что абсолютная величина коэффициента должна быть в t раз больше, чем ошибка его определения.
Адекватность построенных математических моделей проверялась по F-критерию Фишера, значения которого принимали для пятипроцентного уровня значимости при конкретном, зависящем от плана эксперимента, числе степеней свободы. Расчетное значение критерия Фишера FpaC4 определяли по выражению [1, 124]
