Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1. Состояние вопросса и задачи исследований. 9
1.1 Анализ систем обработки почвы под сою 9
1.2 Анализ конструкций катков для прикатывания почвы 14
1.3 Схема управления почвообрабатывающим катком 32
1.4 Задачи исследований 34
ГЛАВА 2. Теоретические исследования 35
2.1 Обоснование конструкции виброкатка 35
2.2 Обоснование основных конструктивных параметров виброкатка... 39
2.3 Степень подвижности механизма 43
2.4 Кинематика виброкатка 44
2.5 Уравнение колебаний наружного барабана и критическая скорость движения виброкатка 49
2.6 Энергетический анализ работы виброкатка 52
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 62
3.1 Программа и методика проведения лабораторных исследований... 62
3.2 Определение физико-механических свойств почвы 64
3.2.1 Определение влажности почвы 64
3.2.2 Определение твердости почвы 66
3.2.3 Определение объемной массы почвы з
3.2.4 Определение структурности почвы 68
3.3 Определение основных кинематических параметров катка 69
3.3.1 Определение величины скольжения катка 69
3.3.2 Исследование траектории шпоры и амплитуды колебания внутреннего барабана 70
3.4 Определение тягового сопротивления катка 71
3.5 Планирование много факторного эксперимента 77
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 86
4.1 Результаты лабораторных исследований 86
4.1.1. Исследование распределения твердости и выровненности плотности почвы после прохода катков 86
4.1.2 Исследование кинематических параметров 91
4.1.3 Исследование траектории движения шпор экспериментального и серийного катка 93
4.1.4 Исследование устойчивости движения катка 95
4.1.5 Исследование эксцентриситета внутреннего барабана 96
4.1.6 Определение тягового сопротивления катка 98
4.2 Результаты многофакторного эксперимента 99
4.3 Результаты полевых испытаний виброкатка 107
ГЛАВА 5. Экономическая и энергетическая оценка эффективности внедрения виброкатка в технологию предпосевной обработки почвы под сою 115
5.1 Технико- экономические показатели 115
5.2 Экономическая эффективность внедрения виброкатка 118
5.3 Энергетическая эффективность внедрения виброкатка 119
Общие выводы 123
Список литературы
- Схема управления почвообрабатывающим катком
- Уравнение колебаний наружного барабана и критическая скорость движения виброкатка
- Определение основных кинематических параметров катка
- Исследование устойчивости движения катка
Схема управления почвообрабатывающим катком
Одним из основных звеньев в технологии возделывания сои является система основной и предпосевной обработки почвы, рациональность выбора которой заключается в обеспечении условий оптимального развития растений. Основная и предпосевная обработка почвы под сою - весьма важный агротехнический прием, который направлен на снижение засоренности посевов, сохранение плодородия, создание благоприятного водного и воздушного режимов с целью обеспечения оптимальных условий роста и развития растений [50, 51].
В процессе исторического развития системы обработки почвы прошли путь от примитивных форм механического воздействия на почву (мотыжная и др.) до современных - отвальная вспашка плугом с предплужником, безотвальная, плоскорезная, нулевая.
На всем этапе развития систем обработки почвы возникали споры об эффективности их использования в различных почвенно - климатических условиях [10, 85].
В условиях Приморского края негативное влияние на факторы, участвующие в формировании урожая сои, оказывают чередующиеся периоды засухи и переувлажнения почвы. Снижение потенциальной урожайности сои в такие годы во многом сопряжено с небольшим пахотным слоем большинства типов почв, аккумулирующих крайне малый объем выпадающих осадков, которого едва хватает для поддержания нормального роста и развития растений на протяжении 5-12 дней. В дальнейшем, при отсутствии осадков, растения сои ощущают недостаток влаги, что в конечном итоге влияет на величину урожая. Поэтому эффективность ресурсосбережения при выполнении перечисленных приемов во многом обусловлена оптимальной обеспеченностью растений сои влагой на протяжении всего периода вегетации, что достигается при систематическом увеличении пахотного слоя почвы путем постепенной припашки или периодического рыхления подзолистого горизонта [103].
Основная обработка - это наиболее глубокая сплошная обработка почвы на глубину пахотного слоя. Она осуществляется при вспашке, безотвальном рыхлении, комбинированной обработке, фрезеровании, существенно изменяя сложение пахотного слоя. Обработка почвы требует больших материальных и энергетических затрат, а вспашка - наиболее энергоемкий прием обработки почвы. Во всех соесеющих районах Дальнего Востока основная обработка включает лущение стерни, вспашку или обработку дискаторами с глубокорыхлителями.
Основные направления минимизации предусматривают уменьшение количества и глубины обработок, замену отвальных приемов обработки почвы безотвальными, совмещение технологических операций и приемов в одном процессе при использовании комбинированных машин, уменьшение обрабатываемой поверхности при использовании высокоэффективных средств защиты растений от сорняков, болезней и вредителей.
В Приморском крае лучшие результаты обеспечивает чередование вспашки под сою с поверхностной обработкой под зерновые культуры, что снижает степень засорения и способствует росту урожайности культур в севообороте [9,106].
Сочетание отвальных и безотвальных обработок способствует накоплению и сохранению влаги в почве, предотвращению эрозии, повышению эффективных мер борьбы с сорняками и уменьшению числа вредителей. Отвальные приемы обработки почвы в большей степени изменяют ее физические и микробиологические свойства. Вспашка физически спелой почвы имеет свои положительные стороны и позволяет путем интенсивного рыхления создать в обрабатываемом слое оптимальные условия для проникновения корней, воды, воздуха, эффективно бороться с сорняками, вредителями, возбудителями болезней, качественно заделывать удобрения, пожнивные остатки, улучшить аэрацию, активизировать микробиологические процессы, повысить содержание легкодоступных элементов питания. Вместе с тем, излишние интенсивные обработки разрушают природное строение почвы, которое часто является оптимальным для культур, лишают почву природной мульчи. Вследствие механической обработки происходит снижение способности почвы к биологическому разуплотнению подпахотного слоя, формирование плужной подошвы [9].
При безотвальной обработке, по сравнению с отвальной, повышается производительность труда, сокращаются сроки проведения полевых работ, снижается себестоимость продукции. Одновременно уменьшаются потери гумуса за счет снижения темпов его минерализации, снижаются потери нитратов за счет нисходящей миграции. Улучшается противоэрозийная стойкость почвы, уменьшаются потери влаги из неё. Оптимизация водно-воздушного режима почвы способствует появлению дружных всходов, лучшему росту и развитию культур, повышается их конкурентоспособность по отношению к сорнякам. При мульчирующей безотвальной обработке создаются условия для активизации жизнедеятельности дождевых червей.
При всех достоинствах безотвальной обработки почвы ей присущи определенные недостатки: увеличивается засоренность посевов, особенно при повышенном увлажнении, возникают противоречия между биологизацией и вынужденным увеличением применения пестицидов. При длительной поверхностной обработке почвы из-за уплотнения подпахотных слоев снижается водопроницаемость и воздухопроницаемость, усиливается процесс дифференциализации горизонтов и складывается «верхний тип» питания растений. В связи с мульчирующим эффектом растительных остатков уменьшается температура поверхностного слоя почвы, что в условиях короткого вегетационного периода отрицательно влияет на рост и развитие растений сои.
Уравнение колебаний наружного барабана и критическая скорость движения виброкатка
Разработанная конструкция виброкатка представляет собой сложную динамическую систему, движение центра масс которой является неравномерным.
Однако, для упрощения анализа в процессе теоретических исследований, сделаем допущение, что виброкаток движется по выровненной поверхности почвы с постоянной линейной скоростью, равной поступательной скорости агрегата, со скольжением барабана. Это соответствует режимам работы катка на рыхлых почвах нормальной влажности [32,110].
При повороте наружного барабана радиусом гн на угол поворота ф (рисунок 2.7) его ось перемещается из положения 1 в положение 2, при этом на этот же угол поворачивается внутренний барабан радиусом rB.
За начало системы отчета примем центр осей наружного и внутреннего барабанов (точка О). Точка А, характеризующая пространственное положение шпоры в начальный момент времени, займет положение Аь а уравнение движения точки Б шпоры катка относительно оси X будет иметь вид
Структурный анализ механизма виброкатка показал, что данный механизм представляет собой самоуравновешивающийся механизм с четырьмя степенями свободы, который совершает два основных движения: вертикальные и угловые колебания (рисунок 2.8). Тогда уравнения колебания внутреннего барабана можно представить в следующем виде [12, 59, 62, 82] p sint/qt+oq)
Согласно известным положениям теоретической механики [61] скорость любой точки при координатном способе задания движения определяется выражением Решив уравнение (2.35), получим графическое изображение траектории движения шпоры, представленное на рисунке 2.9. Из пункта 2.1 и рисунка 2.3 следует, что наружный барабан является объектом управления (ОУ) виброкатка, который непосредственно воздействует на управляемую величину y(t) (плотность почвы). В процессе движения наружный барабан совершает колебательные движения в вертикальной плоскости, поэтому для обеспечения оптимальных выходных параметров управляемой величины y(t) необходимо знать уравнение движения наружного барабана. Движение виброкатка можно представить как движение подпружиненной системы по неровной поверхности (рисунок 2.10), при этом неровностями будет являться глубина погружения шпор наружного барабана, зависящая от плотности и влажности почвы.
Тогда, согласно теории движения подпружиненного груза [5, 39, 127] и принятым допущениям, уравнение профиля неровности поверхности, по которой движется виброкаток, будет иметь следующий вид: коэффициент, учитывающий деформацию почвы; hmax —максимальное отклонение профиля поля; s — путь, пройденный катком; Lm — шаг расстановки шпор. Применяя вышесказанное к теории движения подпружиненной системы по неровной поверхности, уравнение колебания наружного барабана будет иметь следующий вид [39]
Из данного уравнения следует, что первый член правой части уравнения определяет затухающие, а второй вынужденные колебания наружного барабана, вызванные неровностями и структурным составом почвы.
Так как движение катка осуществляется по вязкой деформируемой поверхности, то наиболее эффективным воздействие ОУ на выходной параметр y(t) будет в режиме резонанса, т.е. когда частота колебаний л наружного барабана равна собственной частоте ( ю=к, є=— , п ф 0) [2, 38, 39, 139]. Тогда уравнение относительных колебаний наружного барабана примет следующий вид [39] у = —— [cos kt - e-nt( -sink4 + cos k t)]. (2.41) 2nk k Скорость виброкатка, при которой колебания наружного барабана будут осуществляется в режиме резонанса, выполняется при условии при которой наступает явление резонанса. Тогда критическая скорость будет равна
Рассмотрим работу катка при установившемся режиме работы агрегата (V=const). Каток представляет собой сложную самоуравновешивающуюся динамическую систему, на которую действуют внешние и внутренние силы (рисунок 2.11) [125].
Из рисунка 2.11 и функциональной схемы (рисунок 2.3) следует, что тяговое сопротивление виброкатка будет равно где Rt -сопротивление разрушению почвы шпорой, Н; R2- сопротивление перекатыванию виброкатка, Н. Определим сопротивление разрушению почвы шпорой, используя теорему об изменении кинетической энергии динамической системы [3]
Из рисунка 2.12 следует, что параметром, определяющим работу сил тяжести внутреннего барабана, является величина эксцентриситета є, а аналогичным параметром для наружного барабана - величина х, которая зависит от масс барабанов и жесткости подпружиненной системы. Найдем зависимость величины х от этих параметров. Используя функциональную схему виброкатка взаимодействие наружного барабана с внутренним можно представить в следующем виде (рисунок 2.13)
Определение основных кинематических параметров катка
Из рисунка 4.2 следует что распределение твердости почвы имеет случайный характер, то есть является стохастатическим возмущающим воздействием, действующим на элементы конструкции виброкатка.
Результаты исследования степени выравнивания плотности почвы в зависимости от конструкции катка представлены на рисунках 4.3, 4.4.
Из сравнительных результатов исследования равномерности уплотнения почвы следует, что после прохода кольчато-шпоровым катком равномерность распределения плотности почвы увеличилась на 18% относительно первоначального состояния почвы. Это объясняется особенностью его функциональной схемы (невозможностью контролировать возмущающее воздействие (твердость почвы)). После прохода экспериментальным виброкатком равномерность уплотнения почвы увеличилась на 59,6% относительно плотности почвы до прохода, это достигается за счет внесения в функциональную схему виброкатка дополнительных элементов, позволяющих контролировать возмущающее воздействие (твердость почвы). Номер ОПЫТ11
Плотность до прохода катка ЗККШ-6; Плотность после прохода катка ЗККШ-6 Рисунок 4.3 - Результаты лабораторных исследований равномерности уплотнения почвы катком ЗККШ-6: а - опыт на первом участке; б - опыт на втором участке; в - опыт на третьем участке а - опыт на первом участке; б - опыт на втором участке; в - опыт на третьем участке Анализ результатов исследования структуры почвы (таблица 4.1) показал, что после прикатывания содержание в почве частиц, обеспечивающих наилучшую воздухоемкость и влагоемкость, по сравнению с первоначальным состоянием почвы, увеличилось на 4,3% после прохода кольчато-шпоровым катком и на 6% после прохода экспериментальным. В результате улучшается водно-воздушный режим питания корневой системы растений.
Нами проводились исследования изменения плотности почвы после прохода экспериментальным катком в зависимости от изменения влажности в пределах значений, установленных агротехническими требованиями для данного вида операции (рисунок 4.5).
При жесткости пружины С=7000 Н/м При жесткости пружины С=11000 Н/м Рисунок 4.5 - Влияние влажности почвы на степень уплотнения Из рисунка 4.5 следует, что при числе шпор равном 8, жесткости пружины 7000 Н/м и увеличении влажности почвы от 16% до 25% степень ее уплотнения увеличивается на 5%, при жесткости пружины 11000 Н/м плотность почвы увеличивается на 6,8%.
При числе шпор равном 16, жесткости пружины 7000 Н/м и изменении влажности почвы от 16% до 25% степень ее уплотнения увеличивается на 4,7%, при жесткости пружины 11000 Н/м плотность почвы увеличивается на 10,3%.
Известно, что качество и режим работы почвообрабатывающего катка зависит от его кинематических параметров. Одним из основных кинематических параметров, влияющих на качество работы катка, является скольжение, показывающее, какую часть пути каток движется «юзом» (скользит) при этом совершая уплотнение верхних слоев почвы (деформированное скольжение).
Для сравнения величины скольжения разработанного катка с кольчато-шпоровым нами были проведены опыты по определению данного параметра (рисунок 4.6) [126]. Установка для исследования скольжения: а) модель кольчато-шпорового катка с датчиком оборотов; б) виброкаток с датчиком оборотов С этой целью на экспериментальную установку монтировался датчик числа оборотов катка. Количество шпор на экспериментальном катке изменялось от 8 до 16, а жесткость пружин составляла от 7000 Н/м до 11000 Н/м. Скорость движения установки составляла от 0,83 до 2,5 м/с. Результаты исследований представлены на рисунке 4.7.
Анализ результатов исследования скольжения показал, что с увеличением скорости перемещения скольжение кольчато-шпорового катка уменьшается по линейной зависимости, а виброкатка уменьшается по криволинейной. Это объясняется тем, что при малых скоростях за счет того, что шпоры соединены шарнирно с внутренним барабаном, каток движется «юзом», при увеличении скорости за счет сил инерции «юз» уменьшается, следовательно, уменьшается и скольжение. Уменьшение скольжения при снижении числа шпор объясняется увеличением площади контакта наружного барабана с почвой. Из рисунка 4.7 следует, что с увеличением скорости уменьшается деформация сдвига в верхних слоях почвы, тем самым увеличивается воздухоемкость и влагоемкость почвы. Наиболее предпочтительным является использование катка при скорости движения более 2 м/с с жесткостью пружин 7000 Н/м.
При исследовании траектории движении шпор экспериментального и серийного катков (рисунок 4.8) были получены слепки шпор (рисунки 4.9, 4.10). При наложении траектории, полученной расчетным путем, на слепок следа, полученный в результате эксперимента (рисунок 4.8), установлено, что аппроксимированная кривая, полученная в результате теоретических расчетов перемещения конца шпоры в почве, совпадает с экспериментальным слепком с доверительной вероятностью от 0,83 до 0,98.
Одним из факторов, характеризующих устойчивое движение катка является амплитуда колебания его внутреннего барабана. Установлено (рисунок 4.11), что с уменьшением жесткости подпружиненной системы амплитуда колебания внутреннего барабана увеличивается, а с увеличением уменьшается. При жесткости пружин менее 5000 Н/м наблюдается резкое увеличение амплитуды колебаний и система становится неустойчивой, то есть не возвращается в исходное состояние после прекращения силового воздействия на нее. При жесткости пружин более 12000 Н/м амплитуда колебаний минимальна и стремится к постоянному значению, это связано с инерционностью подпружиненной системы. Следовательно, оптимальная жесткость пружин лежит в интервале от 5000 Н/м до 13000 Н/м.
Анализ теории перемещения виброкатка показал, что параметром, влияющим на характер траектории движения шпор в почве, является вертикальное смещение внутреннего барабана (эксцентриситет). Результаты исследования влияния количества шпор с пружинами разной жесткости на величину смещения (эксцентриситета) внутреннего барабана (рисунок 4.12) показывают, что с увеличением числа шпор увеличивается эксцентриситет вследствие увеличения площади контакта шпор с почвой. При уменьшении диаметра шпор при постоянной жесткости подпружиненной системы величина эксцентриситета уменьшается. Также из результатов исследования зависимости эксцентриситета от жесткости, числа шпор и их диаметра следует, что с достижением эксцентриситетом критических значений подпружиненная система становится неустойчивой.
Исследование устойчивости движения катка
В соответствии с задачей исследования и методикой, изложенной в третьей главе, проведены производственные испытания с использованием разработанного почвообрабатывающего катка для предпосевной обработки почвы под сою.
Разработанный и изготовленный агрегат (рисунок 4.21) исследовался в условиях учебно-опытного хозяйства ФГБОУ ВПО «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» на общей площади 100 га. При проведении полевых испытаний исследовалось влияние агрегата на состояние почвы (степень выравнивания плотности, плотность почвы, структурность почвы) (рисунок 4.22) (таблица 4.2). Также в процессе полевых испытаний были проведены исследования основных энергетических и кинематических параметров катка (рисунок 4.23).
В результате проведения полевых испытаний, согласно методике, изложенной в третьей главе, основным результатом было качественное выполнение технологического процесса предпосевной подготовки почвы, в соответствии с агротехническими требованиями, и, как следствие, повышение урожайности сои.
Основным показателем качества работы виброкатка является степень равномерности уплотнения почвы. В результате сравнительных полевых испытаний серийного катка ЗККШ-6 и экспериментального катка были получены результаты степени выравнивания плотности почвы, приведенные на рисунке 4.24, 4.25 анализируя которые можно сделать вывод, что в полевых условиях экспериментальный каток позволяет увеличить степень выравнивания плотности почвы на 40% относительно состояния почвы до прикатывания, что на 25% больше чем после прохода катка ЗККШ-6. Однако, данный показатель меньше на 19,6% чем результат, полученный при проведении лабораторных исследований, это объясняется увеличением ширины секции катка и различием в структуре почвы при лабораторных и полевых испытаниях.
Машины для оценки Время испытаний Показатели качества обработки почвы Площадьобработки,га Прибавка урожая от среднего, ц/га
Плотность до прохода экспериментального катка; Ш Плотность после прохода экспериментального катка Рисунок 4.24 - Результаты полевых исследований равномерности уплотнения почвы экспериментальным катком: а - опыт на первом участке; б - опыт на втором участке; в - опыт на третьем участке
Анализ полевых испытаний экспериментального катка показывает, что обработка почвы виброкатком в сравнении с кольчато-шпоровым катком позволила повысить качество поверхностной обработки почвы и получить прибавку урожая сои в среднем 2,8 ц/га [127].
Результаты исследования скольжения экспериментального катка в полевых условиях представлены на рисунке 4.26.
Анализируя зависимости, приведенные на рисунке 4.26, видим, что характер изменения скольжения в полевых условиях практически совпадает с экспериментальными данными, полученными на почвенном канале. Незначительное расхождение в значениях объясняется многообразием характеристик естественного состава почвы в полевых условиях, которые оказывают непосредственное влияние на движение катка. Величина скольжения виброкатка при оптимальной скорости движения равна 11%, что на 3% превышает величину скольжения кольчато-шпорового катка. Следовательно, исходя из ранее проведенных исследований влияния влажности на величину уплотнения почвы после прохода виброкатка (рис. 4.10), сдвига в верхних слоях почвы, что в последствии делаем вывод, что его эксплуатация целесообразней при влажности почвы менее 20%, так как при более высокой влажности увеличится деформация приведет к уменьшению воздухоемкости и нарушению структуры почвы.
Результаты энергетической оценки виброкатка и кольчато-шпорового катка в полевых условиях представлены на рисунке 4.27 и 4.28. Результаты полевого опыта (рисунок 4.27 и 4.28) показывают, что закономерность изменения тягового сопротивления во время проведения полевых испытаний и испытаний, проводимых на почвенном канале имеют 114 практически одинаковый характер, отличие объясняется различной структурой почвы при полевых и лабораторных испытаниях. Из рисунка 4.27 следует, что предпочтительней эксплуатировать виброкаток в агрегате с трактором тягового класса 1.4 (МТЗ-80, МТЗ-82). При увеличении ширины захвата агрегата целесообразно увеличить тяговый класс трактора пропорционально тяговому сопротивлению комплектуемого агрегата.
Технико-экономический эффект от применения виброкатка определим на примере сравнения эксплуатационных затрат при работе базовым катком и проектным.
Затраты на изготовление экспериментального почвообрабатывающего катка проводятся в соответствии с разработанной технологией изготовления и сборки оригинальных деталей и узлов, с учетом затрат на приобретение стандартных изделий. Цены на стандартные изделия и профиль из металла приняты на уровне рыночных по состоянию на 1.01.2010 года. Рассчитанная стоимость экспериментального почвообрабатывающего катка составляет 160 тыс.руб.. Балансовая стоимость серийного катка ЗККШ-6 представлена в таблице 5.1.
При определении показателей экономической эффективности от применения виброкатка все вычисления производили в расчете на годовой объем работ 100 га.
Годовая экономия от применения экспериментального катка по сравнению с кольчато-шпоровым катком составляет 2080,87 руб., а годовой экономический эффект составит 280000 руб., что свидетельствует об экономической целесообразности применения экспериментального катка для предпосевной обработки почвы. Энергетическая оценка агрегатов показывает, что экспериментальный каток затрачивает энергии меньше на 15 МДж/га, чем кольчато-шпоровый каток ЗККШ-6.