Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования .9
1.1 Почвенно-климатические условия возделывания сельскохозяйственных культур в условиях Среднего Поволжья 9
1.2 Пахотные и подпахотные горизонты, их влияние на плодородие почвы 13
1.3 Анализ способов основной обработки почвы, классификация рабочих органов для их осуществления 20
1.4 Анализ и оценка рабочих органов для послойной обработки почвы 27
1.5 Обзор теорий рыхления почвенного пласта 30
1.6 Цель и задачи исследования 37
2 Теоретическое обоснование комбинированного почвообрабатьюающего рабочего органа плуга 38
2.1 Разработка комбинированного почвообрабатывающего рабочего-органа 38
2.2 Обоснование параметров борозды подпахотного горизонта при обработке почвы 40
2.3 Обоснование конструкции рабочего органа 42
2.4 Обоснование основных параметров рыхлителя подпахотного горизонта 43
2.4.1 Обоснование профиля рабочей поверхности рыхлителя подпахотного горизонта 45
2.4.2 Обоснование угла постановки режущей кромки рыхлителя относительно направления его движения 51
2.5 Определение кинематических и силовых характеристик рыхлителя подпахотного горизонта 52
2.5.1 Определение кинематических и силовых характеристик долота з
2.5.2 Определение кинематических и силовых характеристик рыхлительного элемента 58
2.6 Определение тягового сопротивления экспериментального рыхлителя 60
2.7 Определение тягового сопротивления пахотного агрегата 61
Выводы 62
3 Программа и методика экспериментальных исследований 64
3.1 Программа экспериментальных исследований 64
3.2 Общая методика исследований 65
3.3 Экспериментальная установка и контрольно-измерительные приборы 66
3.4 Анализ погрешности контрольно-измерительных приборов 74 "
3.5-Методика определения основных физико-механических характеристик обрабатываемой почвы 76
3.6 Методика лабораторных и полевых исследований основных параметров комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа 82
3.6.1 Методика лабораторных исследований по оптимизации основных параметров комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа 83
3.6.2 Методика полевых исследований по определению энергетической оценки плугов с применением комбинированных почвообрабатывающих рабочих органов 86
3.6.3 Выбор управляемых факторов и уровней их варьирования 92
3.6.4 Планирование факторного эксперимента 94
Выводы 99
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 100
4.1 Физико-механические характеристики обрабатьгеаемой почвы... 100
4.2 Влияние исследуемых параметров комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа плуга на изменение тягового сопротивления рыхлителя подпахотного горизонта... 101
4.3 Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных результатов лабораторных исследований 102
4.4 Полевые исследования агрегатов с применением комбинированных почвообрабатывающих рабочих органов
4.4.1 Условия проведения полевых исследований 107
4.4.2 Оценка качества вспашки 109
4.4.3 Анализ энергетических характеристик агрегатов, оснащенных комбинированными почвообрабатывающими рабочими органами 111
4.5 Результаты полевых исследований и их анализ 114
Выводы 115
5 Техни-экономическая эффективность использования плугов с комбинированными рабочими органами 117КО
5.1 Определение стоимости изготовления почвообрабатывающего рабочего органа 117
5.2 Годовой экономический эффект от внедрения почвообрабатывающего рабочего органа 119
Выводы 127
Общие выводы 128
Список использованной литературы
- Анализ способов основной обработки почвы, классификация рабочих органов для их осуществления
- Обоснование основных параметров рыхлителя подпахотного горизонта
- Экспериментальная установка и контрольно-измерительные приборы
- Анализ энергетических характеристик агрегатов, оснащенных комбинированными почвообрабатывающими рабочими органами
Введение к работе
Актуальность темы. Сохранение и повышение плодородия почв – одна из главных задач сельскохозяйственного производства. Вспашка почвы в современном земледелии не отвечает условиям энергосбережения и в связи с этим её заменяют другими видами обработки почвы – дискованием, культивацией и др. В результате не происходит рыхление почвы на всю глубину пахотного горизонта и наблюдается переуплотнение нижележащих слоёв почвы, что нарушает воздушно-водный режим корнеобитаемого слоя культурных растений. Также ухудшаются условия жизнедеятельности почвообразующих микроорганизмов, происходит снижение плодородия почвы, возрастает засоренность и, как следствие, уменьшается урожайность с.-х. культур.
В связи с этим замена вспашки на другие виды обработки является необоснованной с позиции агротехники, что определяет необходимость обеспечения условий энергосбережения её выполнения. Перспективным направлением решения данной задачи является выполнение основной обработки почвы, при которой обеспечивается заделка растительных остатков с оборотом и рыхлением верхнего обрабатываемого слоя почвы и рыхление без выноса на дневную поверхность нижележащего пахотного слоя, для реализации которого предлагается применение комбинированного рабочего органа плуга. Данный вид обработки обладает преимуществом вспашки и одновременно отвечает условиям энергосбережения.
В связи с этим исследования, направленные на снижение энергозатрат основной обработки почвы и в частности, использованием комбинированного рабочего органа плуга (состоящего из лемешно-отвальной поверхности и рыхлителя, крепящихся на одной стойке) являются актуальными и практически значимыми для АПК РФ.
Работа выполнялась по плану НИОКР ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», тема: «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ГР 01.200.600147).
Цель исследований. Снижение энергозатрат основной обработки почвы использованием комбинированного рабочего органа плуга.
Объект исследований. Процесс основной обработки почвы, выполняемый комбинированным рабочим органом плуга.
Предмет исследований. Технологические параметры комбинированного рабочего органа плуга (тяговое сопротивление, угол атаки, ширина захвата и форма рабочей поверхности рыхлителя комбинированного рабочего органа плуга).
Методика исследований. Теоретические исследования основных технологических параметров комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа выполнялись с использованием основных положений, законов и методов земледельческой и классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик в соответствии с действующими отраслевыми стандартами, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с применением стандартных программ «Microsoft Office Excel», «Statistiсa-6», MathCAD.
Научная новизна. Конструкция комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа плуга; математические зависимости по обоснованию тягового сопротивления, угла атаки, ширины захвата и формы рабочей поверхности рыхлителя комбинированного рабочего органа плуга.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретение № 2273119 и № 2297745 «Комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган» и патентами РФ на полезную модель № 79744 «Корпус плуга», № 94795 «Почвообрабатывающий рабочий орган».
Практическая значимость работы. Применение комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа плуга позволяет уменьшить энергозатраты и расход топливо-смазочных материалов на выполнение основной обработки почвы. При этом установлено, что заделка растительных и пожнивных остатков для агрегата (МТЗ-80(82) + ПЛН-3-35) с серийными (без предплужников) и экспериментальными рабочими органами составляет 75,6 % и 95,2 %, для агрегата (ДТ-75 М + ПЛН-4-35) – 79,3% и 97,5% соответственно. Средний погектарный расход дизельного топлива на вспашке трехкорпусными плугами с предлагаемыми корпусами при скорости пахотного агрегата (МТЗ-80(82) + ПЛН-3-35) от 1,4 до 1,92 м/с снизился на 12,8 %, а снижение тягового сопротивления составило 18,9 % по сравнению с серийными корпусами (без предплужников), снижение удельных энергозатрат с 30,6 до 24,8 кВт/га. Сравнительные исследования, проведенные с агрегатом (ДТ-75 М+ПЛН-4-35) с серийными и экспериментальными рабочими органами, выявили снижение погектарного расхода топлива в среднем на 12,9 %, снижение тягового сопротивления на 20 %, а снижение удельных энергозатрат с 48,3 до 38,6 кВт/га.
Применение плуга с экспериментальными рабочими органами обеспечивает по сравнению с серийными снижение удельных затрат на ТСМ на 42 руб./га, для трехкорпусного и 40 руб./га для четырехкорпусного вариантов.
Реализация результатов исследований. Производственные исследования пахотных агрегатов с экспериментальными рабочими органами для основной обработки почвы были проведены в СПК «Родники» и в ФГУП учебно-опытное хозяйство Ульяновской ГСХА Ульяновской области.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2004 - 2010 гг.), ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2004 г.), на Международной ФГОУ ВПО «Северо-Осетинский ГУ» (2010 г.) и в Министерстве сельского хозяйства Ульяновской области (2010 г.).
Публикации результатов исследований. По материалам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в т.ч. получено два патента на изобретение и два патента на полезную модель, одна работа опубликована в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ и одна статья опубликована без соавторов. Общий объём опубликованных работ составляет 1,7 п.л., из них автору принадлежит 0,9 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 154 наименований и приложений на 26 с. Работа изложена на 145 с., включает 22 табл. и 47 рис.
Анализ способов основной обработки почвы, классификация рабочих органов для их осуществления
Обобщённые результаты исследований показали, что по следам тракторов плотность почвы в результате разрушения структуры повышается на 0,1...0,3 г/см3, достигая величины 1,35...1,55 г/см3, что значительно превышает оптимальные значения. Чтобы представить себе, что означает изменение плотности на 0,1 г/см3, нужно иметь в виду, что урожай зерновых падает при этом на 2... 10 ц/га, в среднем на 6 ц/га. А при возделывании картофеля на 15...25 ц/га [151].
Кленин Н. И. и Сакун В. А. подтверждают это, утверждая, что отклонение плотности почвы на 0,1...0,3 г/см3 от оптимальной приводит к снижению урожайности на 20...40 %, ссылаясь на исследования Ревута И. Б. [80].
Но наибольшая плотность почвы, достигающая 1,6... 1,7 г/см3 [80], возникает в подпахотном горизонте, в результате ежегодной обработки на одну и ту же глубину почвообрабатывающими рабочими органами. Так называемая плужная подошва возникает в результате возникновения усилия (от массы с/х орудия, их готовности к работе, физико-механических свойств почвы), направленного перпендикулярно вниз от тыльной стороны лемехов.
Толщина плужной подошвы составляет 12... 17 см и зависит от конструкции рабочих органов, массы орудия, числа обработок на одинаковую глубину, влажности и механического состава почвы. Её начало можно определить по расположению корней растений: у начала плужной подошвы они располагаются под прямым углом вертикали [80].
Наличие "плужной подошвы имеет непосредственное влияние на формирование урожая, так как она препятствует проникновению корневой системы культурных растений в нижележащие слои почвы, которые в засушливые периоды имеют наибольшие запасы влаги, а значит, рециркуляция её сильно затруднена.
С другой стороны, склоновые земли характеризуются жестокими условиями формирования урожая сельскохозяйственных культур, что связано со значительным непроизводительным сбросом таких и ливневых вод, смывом почвы, вынос водорастворимых форм элементов минерального питания растений и гумуса, неоднозначностью термического и инсоляционного режимов элементов склона и т. д. [93]. Всё это во многом благодаря наличию плужной подошвы.
Все эти негативные факторы толкают на обеспечение приёмов разуплотнения (разрушения) плужной подошвы, так и создание рабочих органов, снижающих её возникновение.
В настоящее время, для разуплотнения подпахотных горизонтов применяют глубокую их обработку (на 40...45 см), с чередованием каждые 3...4 года.
Анализ способов основной обработки почвы, классификация рабочих органов для их осуществления На данный момент в сельскохозяйственном производстве в большей степени применительно два способа основной обработки почвы, это отвальный и безотвальный [42, 77, 99, 115]. Рассмотрим каждый из них, анализируя преимущества и недостатки.
Безотвальный способ (рыхление пласта почвы без во всем пахотном горизонте), наименее энергоёмок по сравнению с отвальным вследствие отсутствия оборота пласта почвы. По качеству же выполнения этой операции он значительно уступает отвальному. В большей степени это проявляется в крошении почвы, уничтожении сорных растений, влиянии на микрофлору и гумусообразование.
В настоящее время всё большее предпочтение отдаётся "экологически чистому" земледелию с минимальным использованием отвальной обработки, минеральных удобрений и пестицидов. В свою очередь, как показали исследования [96, 75], одним из главных факторов, сдерживающих рост урожая полевых культур, является засорённость посевов. А лучшие результаты в борьбе с сорняками обеспечивает разноглубинная вспашка, по сравнению с плоскорезной и поверхностной обработкой почвы. При этом снижается вынос основных элементов питания сорняками. С точки зрения влияния вспашки и плоскорезной обработки на микрофлору почвы, как показали исследования [147], неэродированные почвы, обладают наиболее высокой плотностью микробной популяции. Так, на участках с отвальной системой обработки (вспашка на 20...22 см) её обсемененность бактериями была в 1,7 раза бациллами, актиномицетами, грибами, олигонитрофилами - в 1,4 и CI pasteurianum в 20 раз выше, чем эродированной.
Благодаря тому, что плоскорезная обработка по сравнению с отвальной обеспечивает более надёжную защиту поверхности эродируемого склона от водной эрозии, её применение положительно" сказывается и на биологической активности почвы. Следовательно, при отвальной обработке почв, подверженных эрозии, происходит снижение биологической активности, что, естественно, отрицательно сказывается на урожайности полевых культур:
Потери, гумуса присутствуют при- любых механических обработках, а при безотвальной, обусловлены ещё и, низкой эффективностью гумификации в связи с локализацией источников, гумуса на поверхности почвы [116].
При плоскорезной", обработке органические удобрения! и- остаточная биомасса растений локализуются.в.приповерхностных слоях, что влияет на распределение гумуса в почвенном профиле (табл. 1.7).
Данные исследования проводились на склоне 5...6. Почва -чернозем типичный мощный легкосуглинистый среднесмытый. Вспашку и плоскорезную обработку в севообороте выполняли на глубину 20...22 см и 25...27 см, мелкую плоскорезную - на 12... 14 см, при одноразовом за ротацию щелевании. Во всех вариантах один раз за ротацию вносили навоз 20 т/га, средняя норма минеральных удобрений в севообороте составляла Nl04P79K1()l.
Обоснование основных параметров рыхлителя подпахотного горизонта
Предположим, что рыхлитель 1 (рис. 2.6) криволинейной формы движется в почвенной среде 2 на определенной глубине. Выделим на его рабочей поверхности элементарный участок площадью ds, , учитывая, что на его рабочую грань будет действовать удельное давление q, то на любой его элементарный участок dst будет действовать сила qds, . Данную силу можно разложить на горизонтальную составляющую qds, cos у sin р и вертикально составляющую qds, cos у cos р. В направлении касательной к поверхности бокового профиля рыхлителя на данном участке будет действовать сила трения, равная fiqcosydsi, которую также можно разложить на две взаимно перпендикулярные силы: fxqdst cos у cos (р, направленную вдоль оси х, и fiqds, cos у s m p, направленную вдоль оси у.
Для преодоления перечисленных выше сил необходимо приложить силу Р, направленную под углом а относительно горизонта. За систему отсчета принимаем декартовую прямоугольную систему координат (точка отсчета 0 совпадает с осью вращения правого колеса лабораторной установки). /
Схема сил, действующих на рыхлитель: 1 —рыхлитель; 2 — почвенная среда; 3 — лабораторная установка; Lh Lj —расстояние от центра левого и правого колеса установки до рабочей поверхности рыхлителя; L -расстояние между центрами колес установки; N], N2 — реакция на ободе правого и левого колеса установки; f, — коэффициент трения почвы о материал рыхлителя; f — коэффициент перекатывания колес; ср— угол трения почвы о материал рыхлителя; q — удельное давление почвы на поверхность рыхлителя; Р — усилие, необходимое для перемещения рыхлителя; а — угол между силой Р и горизонтом
Составим уравнение проекций сил на оси х и у, а также уравнение моментов относительно точки О: Tlx = qdsi cospcosy - Psina - f qdSiSinpcosy - N{- N2 = 0; (2.6) У у = Pcosa - f2N2 - f2Nx - y qds, sin q cos у — f \ qdst cos cos = 0; (2.7) Y,Mt = PLsma + N1{Ll+L2) + f qds,(Ll+Yds )sin9?cos/-/2(iV1 +N2)h0 ч (2-8) -? &, cospcosp I, +УА )-]? &, sirupcosj - f qds, coscpcosyY = 0, где Xds и Y — координаты точки приложения равнодействующей удельного давления почвы на z -й элементарный участок рабочей грани рыхлителя, м. Получая из уравнения (2.8) значение JV, и подставляя его в уравнение (2.7), решаем относительно Р. При решении этой задачи мы воспользуемся методами вариационного исчисления [45]. Сопротивление рыхлителя в общем виде можно записать [46]: верхняя и нижняя координата обрабатываемого слоя почвы; U = "у, — приращение координаты у к приращению координаты х.
Откуда можно сказать, что удельное сопротивление q зависит как от глубины обработки, так и от формы самого рыхлителя. qc = f(X,Y,U). В общем случае уравнение (2.9) можем записать так: P = c\f(X,Y,U)(a + bU)dx. (2.10) где X - глубина обработки (Х=Хі-Х0), м; Y - длина вылета рабочей поверхности рыхлителя, погруженного в обрабатываемый слой почвы, м. Из принципа вариационного исчисления функция Y = f(X) должна удовлетворять уравнению Эйлера: A _ = 0, (2.11)
В работе [46] показано, что для старопахотных почв давление на переднюю грань в зависимости от глубины хода ножа в пределах пахотного слоя может быть принято прямо пропорциональным глубине обработки. В нашем случае данная зависимость примет вид:
Взяв частную производную от подынтегральной функции, получаем, следующее уравнение: XU[(l-fJ2) + {fl+f2)u] + X(fl+f2)(l + U2) = Cyll + U2. (2.19)
Так как давление на поверхность рыхлителя растет пропорционально глубине обработки, то рациональной формой рыхлителя является кривая, описанная уравнением (2.26). Решения данного уравнения для заданных .условий (максимальная глубина рыхления до 15 см) представлены в таблице 2.1.
Представленные данные позволяют графически создать лекало рабочей поверхности предлагаемого рыхлителя комбинированного рабочего органа плуга по условию минимизации его тягового сопротивления [73]. Обоснование угла постановки режущей кромки рыхлителя относительно направления его движения Задача по определению постановки угла рыхлителя относительно стенки борозды (рис. 2.4), сводится к тому, что необходимо подобрать такой угол у, при котором не происходит обволакивание лезвия корнями сорняков. Исследователи данного вопроса [79, 80, 144] обосновывают его со скользящими способностями сорняков вдоль лезвия и описывают это условие зависимостью:
Таким образом, действительный угол у, находится в диапазоне 27,5...40 и если сравнивать его с углом на культиваторах отечественного производства, то 2у = 30...32,5. Исследуемый же нами рыхлитель с одной стороны схож с плоскорежущими рабочими органами по своим функциям, с другой стороны имеет коренные отличия в своей конструкции. С целью проверки данного предположения необходимо в реальных условиях изготовить экспериментальные образцы рыхлителей, отличающихся лишь углом постановки его относительно стенки борозды.
Как показано на рисунке 2.4 рыхлитель состоит из двух частей: 1 -долотообразной части (долота), роль которой подрезать почвенный пласт, взрыхлить его на глубину а.2 и часть почвы, шириной Ьп направить на поверхность самого рыхлителя; 2 - поверхность рыхлителя (для простоты в последующем - рыхлительный элемент), служащая для более качественного рыхления почвы с наименьшими затратами и прикрытия грядилей агрегата от лобового смятия ими почвы (исходя из конструкционных соображений). При этом часть почвы с нижележащих слоев по рыхлительному элементу поднимается в зону действия лемешно-отвальной поверхности, что приводит к перемешиванию плодородного верхнего слоя почвы с почвой с меньшим содержанием гумуса.
Экспериментальная установка и контрольно-измерительные приборы
При изучении сложных явлений или процессов, на которые влияет множество факторов при изменяющихся условиях, задача оптимизации этих процессов становится многофакторной. Решать такую задачу приходится при неполном знании самого механизма рассматриваемых явлений, неподдающихся описанию аналитическими методами.
Проблемой рационального планирования эксперимента занимались многие авторы [36, 47, 64, 69, 103, 113, 146]. Формально основной задачей планирования эксперимента является получение статической математической модели объекта исследования в виде полинома (уравнения регрессии), обычно первой или второй степени. Общий ход построения и последующего использования математической модели сводится к следующему: - проводится предварительное изучение объекта; - выбирается параметр оптимизации, выявляются действующие факторы и по результатам опытов строится модель; - производится оценка адекватности модели и интерпретация, то есть распознавание ее геометрического облика; - производится использование модели в ходе разработки рекомендаций по оптимизации исследуемого процесса, то есть обоснованию его технологических режимов или конструктивных параметров.
При постановке факторных экспериментов обработка их результатов основывается на законах математической статистики, поэтому большое значение имеет вариационный, дисперсионный и регрессионный анализы [113].
К числу наиболее простых в обработке планов эксперимента принадлежат композиционные планы второго порядка. В этих планах каждый фактор варьируется на пяти уровнях: верхнем (+ 1), нижнем (- 1), нулевом (0) и, так называемых, "звездных" (+ а) и (— а) при При использовании некомпозиционных планов (Бокса-Бенкина, Хартпи и др.) варьирование управляемыми факторами производится на трех уровнях: верхнем (+ 1), нижнем (- 1) и нулевом (0), в виду чего выбираем некомпозиционное планирование эксперимента.
При этом используя планы эксперимента второго порядка возможно построить полное квадратическое уравнение регрессии вида:
Выполняем нормализацию факторов, при которой осуществляется линейное преобразование факторного пространства с переносом начала координат в центр как эксперимента и выбор масштаба по осям в единицах варьирования факторов [89] по формуле: где х" х" " соответственно значение фактора на верхнем и нижнем уровнях. Полученная математическая модель в кодированных значениях факторов позволит оценить степень влияния на параметр оптимизации каждого из них, так и произведений факторов (при существенности коэффициентов уравнения регрессии) [35, 84, 89, 103, 105].
Следующим этапом обработки эксперимента должна быть статистическая обработка с установлением значимости коэффициентов регрессии. Целью её является выяснение, с какой степенью достоверности полученные значения коэффициентов отличаются от нуля, т.е. статистическая проверка устанавливает, оказывает ли данный фактор заметное влияние на переменную. Если этого влияния нет, то значение коэффициента регрессии будет отличаться незначимо от нуля. В связи с этим для проведения статического анализа полученных результатов необходимо найти дисперсию воспроизводимости (равноточности) результатов опыта. Условие воспроизводимости предполагает примерно одинаковое влияние ошибок и случайных помех по всем точкам планам, т.е. дисперсии параллельных опытов в точках плана должны быть сравнимы между собой.
Так как каждый опыт в матрице ставился в нескольких повторностях и число их в каждом варианте опыта одинаково, то полный статистический анализ проводился по следующей схеме. где t\ - критерий Стьюдента для конкретного коэффициента уравнения регрессии; Uj - рассчитанные коэффициенты регрессии. Значение t-критерия зависит от числа опытов и от принятого уровня значимости, оно находится по специальным таблицам [ПО]. Значимость множественной корреляции оценивается критерием Фишера (F-критерий) [63]: Коэффициент детерминации- D показывает долю тех изменений, которые зависят от изучаемого фактора. Он является более непосредственным и прямым способом выражения зависимости одной величины от другой, и в этом отношении он предпочтительнее коэффициента корреляции.
Из формулы следует, что коэффициенты корреляции, близкие к единице, оказываются всегда точнее коэффициентов корреляции, близких к нулю. С увеличением числа объектов исследования Sr также будет всегда уменьшаться, а точность в определении R - возрастает. Выводы
1 Разработана общая программа исследований, которая включает лабораторные (исследования рыхлителя комбинированного рабочего органа плуга) и полевые (исследования плугов с серийными и экспериментальными рабочими органами) исследования, подобрано необходимое оборудование.
2 Для изучения процесса рыхления спроектированы и изготовлены рыхлители подпахотного горизонта, отличающиеся ЛИШБ боковыми профилями рабочей поверхности, а также комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган (по патенту РФ № 2997745), позволяющий разуплотнять подпахотный слой почвы с одновременным рыхлением и оборотом верхнего пласта почвы.
3 Из множества независимых управляемых и контролируемых факторов, посредством проведенного анализа априорной информации позволило выделить три основных: скорость обработки vp, глубина обработки а и угол постановки режущей кромки рыхлителя относительно направления его движения у (угол атаки рыхлителя).
4 Определены границы области эксперимента по вышеуказанным факторам и назначены уровни их варьирования, при этом обработка данных эксперимента принята по методу некомпозиционных планов.
Анализ энергетических характеристик агрегатов, оснащенных комбинированными почвообрабатывающими рабочими органами
Обоснована и разработана конструкция комбинированного рабочего органа плуга, основными элементами которого являются лемешно-отвальная поверхность и рыхлитель. При выполнении основной обработки почвы, предлагаемым рабочим органом обеспечивается заделка растительных остатков с оборотом и рыхлением верхнего обрабатываемого слоя почвы и рыхление без выноса на дневную поверхность нижележащего пахотного слоя.
В результате обеспечивается снижение энергозатрат на основную обработку почвы, выполненную комбинированным рабочим органом по сравнению с серийными рабочими органами плуга, так как в предлагаемом варианте предусматривается оборот почвы не на всю глубину обрабатываемого горизонта, а только её верхнего слоя (основной корнеобитаемый слой).
Исходя из агротехнических требований, были приняты следующие технологические параметры комбинированного рабочего органа плуга: - максимальная глубина обработки 0,3 м; - глубина верхнего оборачиваемого слоя почвы изменяется от 0,1 до 0,16 м (регулируемый параметр), соответственно глубина рыхления нижележащего пахотного слоя почвы составляет от 0,2 до 0,14 м.
Полученные математические зависимости позволяют обосновать основные технологические параметры комбинированного рабочего органа, в частности, угол атаки и форму рабочей поверхности рыхлителя, по условию минимизации тягового сопротивления. Установлено, что условию снижения тягового сопротивления рабочего органа отвечает форма рабочей поверхности рыхлителя близкая к кривой описываемой уравнением логарифмического вида ( Y = 5,5In(X -1)). 129 В результате экспериментальных исследований установлено, что с увеличением глубины и скорости обработки увеличивается тяговое сопротивление рыхлителя комбинированного рабочего органа плуга, а с увеличением угла атаки уменьшается.
В результате исследований в лабораторных условиях рыхлителей комбинированного рабочего органа плуга с различной формой рабочей поверхности (прямолинейная, серийная и экспериментальная) установлено, что минимальное тяговое сопротивление обеспечивает экспериментальный рыхлитель. В диапазоне рабочих скоростей, установленном агротехническими требованиями (от 1,4 до 2,2 м/с) применение экспериментального рыхлителя обеспечивает снижение тягового сопротивления на 27 % по сравнению с прямолинейным и на 15,5 % по сравнению с серийным. Условию обеспечения минимального тягового сопротивления и работоспособности рыхлителя комбинированного рабочего органа соответствует его угол атаки 40.
Применение четырехкорпусного плуга, оборудованного экспериментальными рабочими органами, по сравнению с плугом в серийной комплектации обеспечивает улучшение крошения почвы (количество почвенных фракций размером до 50 мм возросло на 13 %), количество заделки пожнивных и растительных остатков увеличилось на 18,2 %. Плуги, оборудованные экспериментальными рабочими органами, обеспечивают агротехнические требования, предъявляемые к основной обработке почвы.
По своим энергетическим показателям плуги, оборудованные экспериментальными рабочими органами, по сравнению с плугами в серийной комплектации обеспечивают снижение удельных энергозатрат на 9,7 кВт/га (для четырехкорпусного варианта) и на 5,8 кВт/га (для трехкорпусного варианта).
Результаты выполненных исследований обосновывают целесообразность применения плугов с экспериментальными комбинированными рабочими органами для основной обработки почвы по агротехническим и энергетическим показателям.
Годовой экономический эффект от применения экспериментальных рабочих органов на четырехкорпусном плуге при его зональной нормативной загрузке составил 6452 руб. при сроке окупаемости 3,3 года, а на трехкорпусном плуге составил 4498 руб. при сроке окупаемости дополнительных капиталовложений 3,5 года.
