Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Технологические основы создания и тенденции развитии комбинированных агрегатов 14
1.2 Классификация комбинированных машин и агрегатов 18
1.3 Преимущество комбинированных машин и агрегатов 19
1.4 Анализ существующих технологических и конструктивных схем комбинированных машин и агрегатов для предпосевной обработки почвы 20
1.5 Анализ конструкций рабочих органов сельскохозяйственных машин, применяемых на предпосевной обработке почвы 27
1.5.1 Требования к качеству предпосевной обработки почвы... 27
1.5.2 Классификация рабочих органов, применяемых на предпосевной обработке почвы 28
1.5.3 Состояние и перспективы применения почвообрабатывающих машин с дисковыми рабочими органами 31
1.6 Анализ исследований дисковых рабочих органов 36
1.7 Выводы по анализу состояния вопроса исследования 39
1.8 Задачи исследования 39
2 Исследование взаимосвязи между основными параметрами дисковых рабочих органов, качеством и энергоемкостью предпосевной обработки почвы
2.1 Основные параметры дисковых рабочих органов 41
2.1.1 Геометрические параметры дисковых рабочих органов.. 41
2.1.2 Установочные параметры дисковых рабочих органов... 42
2.1.3 Технологические параметры дисковых рабочих органов 42
2.2 Задачи теоретического исследования 45
2.3 Зависимость высоты гребней на дне борозды от параметров дисковых рабочих органов 48
2.4 Тяговое сопротивление дискового почвообрабатывающего орудия 54
2.5 Обоснование модернизации узла крепления дисков на оси батареи 60
2.6 Выводы по результатам теоретических исследований 64
2.7 Задачи экспериментальных исследований 65
Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Программа исследований 66
3.2 Методика экспериментальных исследований 66
3.2.1 Планирование экспериментальных исследований 66
3.2.2 Объект и место проведения экспериментальных исследований 73
3.2.3 Показатели, определяемые при экспериментальных исследованиях 74
3.2.4 Методика определения технологических показателей... 74
3.2.5 Методика определения физико-механических свойств почвы 77
3.2.6 Методика определения тягового сопротивления 19
3.2.7 Методика определения расхода топлива 80
3.2.8 Методика подготовки приборов для экспериментальных исследований 82
3.2.9 Методика обработки опытных данных 87
3.2.10 Методика определения технико-эксплуатационных показателей 90
Результаты и анализ экспериментальных исследований
4.1 Условия проведения полевых опытов 92
4.2 Качественные показатели и энергоемкость предпосевной обработки почвы в зависимости от параметров дисковых рабочих органов при односледной работе 93
4.2.1 Глубина обработки почвы 93
4.2.2 Высота гребней на дне борозды 96
4.2.3 Гребнистость поверхности почвы 99
4.2.4 Крошение почвы 101
4.2.5 Подрезание сорных растений 103
4.2.6 Тяговое сопротивление агрегата 105
4.2.7 Анализ результатов экспериментальных исследований по определению зависимости качества работы от параметров дисковых рабочих органов при односледной работе 107
4.3 Качественные показатели и энергоемкость предпосевной обработки почвы в зависимости от параметров дисковых рабочих органов при двухследиой работе 108
4.3.1 Обоснование диапазона значений параметров и схема двухследного расположения дисковых рабочих органов для проведения эксперимента 108
4.3.2 Глубина обработки почвы 111
4.3.3 Гребнистость дна борозды 111
4.3.4 Гребнистость поверхности почвы 114
4.3.5 Крошение почвы 114
4.3.6 Подрезание сорных растений 117
4.3.7 Тяговое сопротивление орудия 117
4.3.8 Анализ результатов экспериментальных исследований дисковых органов при двухследиой работе 120
4.4 Определение физико-механических свойств почвы и коэффициентов, необходимых для расчета тягового сопротивления дискового орудия 120
4.5 Определение основных параметров дисковых рабочих органов орудия для предпосевной обработки почвы 124
4.6 Конструктивная схема комбинированного дискового почвообрабатывающего орудия для предпосевной обработки почвы 125
4.7 Производственная проверка дискового почвообрабатывающего орудия для предпосевной обработки почвы 129
4.8 Выводы по результатам экспериментальных исследований 131
Экономическая эффективность применения дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы 133
Общие выводы по работе 141
Библиографический список литературы 143
Приложения 152
- Технологические основы создания и тенденции развитии комбинированных агрегатов
- Технологические параметры дисковых рабочих органов
- Планирование экспериментальных исследований
- Определение физико-механических свойств почвы и коэффициентов, необходимых для расчета тягового сопротивления дискового орудия
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Основным направлением повышения эффективности земледелия России является последовательное освоение научно обоснованных систем ведения хозяйства, расширение применения почвозащитных и энергосберегающих методов обработки почвы. В странах с высокомеханизированным сельскохозяйственным производством годовой расход жидкого топлива на один гектар пашни достигает 200-250 кг. Следует отметить, что от 50 до 80% энергозатрат как у нас, так и за рубежом приходится на растениеводство [74]. В связи с этим сейчас являются актуальными исследования по изысканию приемов экономии энергии и топлива, труда и средств с учетом агрономических, технологических и конструктивных требований.
В последнее время наблюдается снижение плодородия почвы. Это объясняется нерациональным применением новых технологий, энергетических и транспортных средств, технологических машин и агрегатов, которые разрушающе воздействуют на почву, усиливая водную и ветровую эрозию.
Рост технической оснащенности сельского хозяйства и повышение культуры земледелия значительно увеличили число операций, проводимых на полях в процессе выращивания сельскохозяйственных культур, что приводит к переуплотнению почвы и отрицательно сказывается на ее структуре, усиливает эрозионные процессы и, в конечном счете, уменьшает урожайность. Так, при возделывании зерновых и других сельскохозяйственных культур по обычной технологии с применением однооперационных специализированных агрегатов тракторами и колесами уплотняется свыше 60 % площади поля [82]. Отдельные участки подвергаются 3-9 - кратному воздействию, что снижает урожайность сельскохозяйственных культур, в том числе зерновых колосовых на 19 %. Кроме того, не удается полностью загрузить обычными однооперационными машинами, используемыми в сельском хозяйстве, скоростные энергонасыщенные тракторы. При раздельном выполнении операции значительная часть энергии и топлива трактора расходуется на многократную транспортировку по по-
ліо так называемого «мертвого груза» (масса трактора, прицепа, машин) [17, 35, 51].
Для увеличения использования энергетических возможностей современных тракторов при работе с навесными или прицепными однооперационными специализированными машинами приходится увеличивать ширину захвата или рабочую скорость агрегатов. Однако из-за агротехнических, конструктивных и эксплуатационных ограничений указанные параметры не могут возрастать беспредельно.
Увеличением скорости и рабочей ширины захвата однооперационных машин не всегда удается достичь эффективного использования энергетических возможностей современных тракторов. Повышение скорости машинно-тракторного агрегата не приводит к пропорциональному увеличению его производительности, поскольку коэффициент использования времени смены уменьшается вследствие роста затрат его на холостые ходы при поворотах и на технологическое обслуживание [3]. Наиболее интенсивное снижение производительности наблюдается при уменьшении длины гона. Кроме того, увеличение скорости может привести к ухудшению качества работы. Увеличение ширины захвата агрегата ограничивается агротехническими, конструктивными и эксплуатационными параметрами и также не дает желаемого роста производительности.
В связи с этим наиболее перспективными являются технические средства, совмещающие за один проход выполнение нескольких операций на обработке почвы. К ним относятся комбинированные орудия и агрегаты, за счет эксплуатации которых сокращено число проходов по полю, потери времени на холостые проходы и заезды, денежные и трудовые затраты, увеличена производительность труда. Кроме того, уменьшение разрывов между отдельными технологическими операциями и улучшение качества обработки почвы при их одновременном выполнении благоприятно сказывается на физических и биологических свойствах почвы, что приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур [7, 10].
Применение комбинированных агрегатов и машин позволяет более рационально использовать в сельском хозяйстве современные мощные скоростные тракторы, а также выполнять несколько технологических операций за один проход. Комбинированные агрегаты и машины можно использовать для совмещения основной и предпосевной обработки почвы, предпосевной обработки почвы, посева и внесения удобрений, выравнивания поля, рыхления почвы, прикатывания и других операций предпосевной обработки почвы, лущения стерни одновременно с уборкой [5, 10].
Для совмещения указанных операций уже имеется часть агрегатов. Однако с внедрением новых способов и систем обработки почвы, в том числе почвозащитных и влагосберегающих, требуется разработка новых приемов совмещения операций и комбинированных машин.
Необходимость применения почвовлагосберегающих технологий в земледелии обусловлена почвенно-климатическими условиями Центрально-Черноземной зоны, в которую входит и Белгородская область. Неустойчивое увлажнение, тяжелые почвы, наличие равнинных полей, изрезанность их балками и оврагами определяют особые требования к почвообрабатывающей технике, то есть машины должны быть с шириной захвата, пригодной для склонового земледелия и борьбы с водной и ветровой эрозией, обеспечивающими снижение энергоемкости обработки почвы [60].
При всем многообразии систем почвозащитной обработки основным ее признаком является оставление на поверхности почвы послеуборочных остатков и сохранение их возможно дольше. Послеуборочные остатки не только защищают почву от водной и ветровой эрозии, но и способствуют накоплению влаги и уменьшению ее испарения. При оставлении в поле большого количества растительных остатков попутно решается и проблема гумуса как одного из важнейших показателей плодородия почвы [8, 30,81].
Однако наличие большого количества послеуборочных остатков на необработанной или частично обработанной поверхности поля обусловливает более жесткие требования к предпосевной обработке и технике для ее выполнения.
Предпосевная обработка почвы является наиболее ответственным технологическим приемом при возделывании сельскохозяйственных культур. Чтобы получить дружные и равномерные всходы, необходимо разрушить до мелко-комкового состояния на глубину посева верхний слой почвы, подрезать и измельчить растительные остатки и перемешать их с почвой, выровнять семенное ложе, частичным оборотом верхнего слоя почвы заделать внесенные на поверхность минеральные удобрения [46]. Поверхность поля должна быть выровнена и не иметь высоких гребней. Перечисленные операции могут быть выполнены различными рабочими органами: фрезами, лемехами, лапами, зубьями и дисками или их комбинациями. Требованиям по производительности, энергоемкости, ширине захвата и качеству обработки наиболее полно удовлетворяют орудия с комбинацией дисковых рабочих органов различных параметров. Как показывают исследования [53], дисковые почвообрабатывающие орудия имеют ряд преимуществ по сравнению с лемешно-лапчатами. Рабочие органы дисковых орудий совершают не только поступательное движение вместе с машиной, но и вращаются вокруг своей оси. Поэтому они не забиваются растительными остатками, не залипают, медленнее изнашиваются и легко перекатываются через различного рода препятствия.
Поступательно-вращательное движение дисков обеспечивает резание почвы со скольжением, что позволяет снизить энергоемкость технологического процесса обработки почвы.
Дисковые рабочие органы в зависимости от их параметров имеют различное технологическое назначение и могут выполнять все операции предпосевной обработки почвы с наименьшими энергетическими затратами.
В связи с этим исследования по разработке и обоснованию параметров дискового комбинированного орудия, обеспечивающего высокое качество предпосевной обработки почвы при повышении производительности, снижение энергоемкости, затрат труда и денежных средств, являются актуальными.
Цель исследований - улучшение технико-экономических показателей агрегата и качества предпосевной обработки почвы дисковым комбинированным орудием.
Объект исследований - дисковое комбинированное орудие и его рабочие органы для выполнения предпосевной обработки почвы.
Предмет исследований — взаимосвязи и закономерности технологического процесса предпосевной обработки почвы дисковым комбинированным орудием.
Научную новизну работы составляют
аналитические формулы для определения гребнистости семенного ложа и энергоемкости предпосевной обработки почвы в зависимости от параметров дисковых рабочих органов,
результаты многофакторных экспериментов по определению качественных показателей предпосевной обработки почвы при односледной и двухслед-ной работе дисковых рабочих органов,
конструктивная схема комбинированного дискового орудия, обеспечивающего высокое качество и снижение затрат энергии, труда и средств на предпосевной обработке почвы.
Практическую значимость составляют
математические зависимости качественных показателей работы от параметров дисковых рабочих органов, которые могут быть использованы при проектировании дисковых орудий, в том числе и для других видов обработки почвы,
основные параметры дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы,
конструкция дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы.
Методика исследования предусматривает применение методов прикладной механики и математического анализа при проведении аналитических исследований и последующее подтверждение их результатов экспериментами.
Качественные показатели обработки почвы оценивали по общепринятым методикам. Экспериментальные исследования проводили с использованием теории многофакторного планирования с последующей обработкой результатов методами математической статистики с пакетами прикладных программ Microsoft Excel, Statistika.
Достоверность результатов и выводов подтверждается лабораторно-полевыми исследованиями при достаточном числе повторностей опытов, обработкой опытных данных методами математической статистики, производственной проверкой и результатами эксплуатации в хозяйствах Белгородской области дисковых комбинированных орудий КАД-7, изготовленных ОАО «Белагромаш — Сервис».
Внедрение результатов исследований
По результатам исследований разработана техническая документация, по которой ОАО «Белагромаш - Сервис» (ранее ОАО Белгородский энергомеханический завод) освоил выпуск комбинированных дисковых орудий под маркой КАД-7, предназначенных для предпосевной и других видов обработки почвы. До конца 2003 года было изготовлено и реализовано в хозяйствах Белгородской области и за ее пределами более 200 орудий.
Апробация работы
Работа выполнена по договору с департаментом АПК в соответствии с Программой развития сельскохозяйственного машиностроения в Белгородской области на 1998 — 2000 год, утвержденной главой администрации области за № 633 от 07.12.1998г. Основные результаты диссертации изложены и обсуждены на:
II международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, Белгородская ГСХА, 1998 г.);
IV международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, Белгородская ГСХА, 2000 г.);
VI международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, Белгородская ГСХА, 2002 г.);
международной конференции «Математика. Образование. Экология. Тендерные проблемы» (Воронеж, ВГУ, 2003 г.);
-научной и учебно-методической конференции профессорского-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ВГАУ в 2004г. Положения материалов диссертации доложены на заседаниях кафедр Белгородской ГСХА.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять работ (статьи и тезисы в докладах и материалах научных конференций) и получен патент (Приложение 1).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, библиографического списка из 99 наименований, из которых 10 на иностранных языках. Она изложена, на 151 странице машинописного текста содержит 12 таблиц, 37 рисунков и 2 приложения.
На защиту выносятся
- теоретические положения, характеризующие взаимосвязь гребнистости
дна борозды с параметрами дисковых рабочих органов,
- аналитические зависимости энергоемкости почвообработки дисковыми
рабочими органами от их параметров и состояния почвы,
уравнения регрессии, описывающие зависимость качественных показателей предпосевной обработки почвы от параметров дисковых рабочих органов,
основные параметры дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы,
конструкция дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы,
результаты производственной проверки опытного образца орудия для предпосевной обработки почвы.
Технологические основы создания и тенденции развитии комбинированных агрегатов
В системе мероприятий по обеспечению высокой культуры земледелия и получению высоких урожаев сельскохозяйственных культур важным звеном является обработка почвы. Урожайность во многом зависит от сроков и качества обработки почвы, то есть от способов ее проведения и совершенства конструкции машин.
В связи с ростом технической оснащенности и увеличением числа операций на выращивании сельскохозяйственных культур возросло уплотняющее и разрушающее воздействие на почву тракторов и сельскохозяйственных машин, что привело к снижению плодородия почвы, усилению эрозионных процессов и снижению урожайности.
Некоторые ученые [34] считают, что необходимо уделять больше внимания минимальной и нулевой обработке почвы. Минимальная обработка почвы имеет следующие направления: - уменьшение глубины основной обработки почвы (замена вспашки лущением, плоскорезным рыхлением) вплоть до ее исключения (механическо -химическая обработка сорняков); - уменьшение интенсивности предпосевной обработки почвы (мелкая предпосевная культивация за один проход); - сокращение числа и глубины обработок междурядий пропашных культур и даже отказ от них (для уничтожения сорняков применяют гербициды). Внедрение минимальной обработки, естественно, резко сокращает затраты энергии, труда и времени, а также снижает вредное влияние механического воздействия на структуру почвы, однако на плотных, малогумусных и засоренных почвах она отрицательно сказывается на урожае [11, 34]. В этом случае наиболее эффективным является совмещение технологических операций путем применения комбинированных машин и агрегатов. Совмещение операций обработки почвы особенно дает хорошие результаты при возделывании культур, когда время на обработку весьма ограничено. При выборе комбинированных машин и агрегатов для достижения максимального эффекта необходимо соблюдать ряд технико-экономических требований [38]: - энергоемкость технологического процесса, выполняемого комбинированной машиной, должна быть меньше общей энергоемкости при выполнении его однооперационными машинами; - производительность комбинированных машин должна быть выше, чем комплекса заменяемых однооперационных машин; - стоимость работы комбинированных машин должна быть ниже или на уровне стоимости работы комплекса однооперационных машин; - комбинированные машины должны быть так же хорошо приспособлены для работы в неблагоприятных погодных и почвенных условиях, как и заменяемые однооперационные; - применение комбинированных машин должно способствовать повышению урожайности возделываемых культур или обеспечивать такой же уровень урожайности при меньших трудовых и денежных затратах. По данным английских и немецких исследователей, расход энергии комбинированными агрегатами составляет от 40 до 50% в сравнении с затратами набора соответствующих однооперационных машин. То есть совмещение операций крошения, оборота, перемешивания и прикатывания верхнего слоя почвы сокращает наполовину расход энергии по сравнению с суммарными затратами на вспашку, культивацию и боронование, проводимыми раздельно [74]. Совмещение операций и применение комбинированных машин и агрегатов было начато с момента появления тяговых средств для мобильной сельскохозяйственной техники. Уже в конце 19 века в странах Западной Европы и России применялись почвообрабатывающие посевные комбинированные агрегаты при возделывании зерновых культур и льна. Их выпускала фирма «Джон Фаулер и К0» из Германии для стационарных паровых установок с канатным тяговым приводом сельскохозяйственных машин. Производившиеся фирмой паровые драпачи-катки предназначались для подготовки вспаханных почв к посеву. Для легких и средних по механическому составу почв выпускался агрегат, технологическая схема которого включала рыхлительные копьевидные лапы на жестких стойках и гладкий почвообрабатывающий каток. Для глыбистых почв применялся агрегат, состоящий из кольчатого катка, рыхлительных копьевидных лап на жестких стойках и зубовой бороны. Совмещение основной обработки почвы с дополнительной позволяет улучшить качество работы лемешных плугов. Пахотные комбинированные агрегаты, представляющие по конструкции лемешные плуги, в сочетании с орудиями поверхностной обработки и плуги с принудительно вращающимися роторами испытывались в различных зонах нашей страны и за рубежом. Они оказались эффективны при подготовки почвы под посев озимых культур в зонах повышенной влажности только на легких по механическому составу почвах. Поэтому эти агрегаты большого распространения не получили. В настоящее время по данным, приведенным в работах [58], роторные плуги выпускают ПНР (комбинированный плуг «Калевинус»), Япония (фирма «Тикати»), ФРГ (фирма «Рацсендорф»), Россия (роторный плуг ПВН-3-35). Для совмещения операций обработки почвы и посева выпускался комбинированный агрегат — паровая сеялка-рыхлитель. Он представлял раму, на которой крепились три ряда рыхлительных лап на жестких стойках, зерновая сеялка, почвоуллотняющий каток и легкая зубовая борона. За один проход агрегата по вспаханному полю выполнялись качественная обработка почвы и посев зерновых культур. Для тех же целей фирма «Форд» (США) производила агрегат, состоящий из трехкорпусного плуга, однорядной кукурузной сеялки и тукового разбросного аппарата. Аналогичные пахотно-посевные агрегаты испытывались в Германии, Польше и других странах. Однако из-за низкой производительности на посеве широкого распространения они не получили. По этой же причине совмещение пахоты с посевом в нашей стране, как показывают работы [6, 57], считается неперспективным и в настоящее время агрегаты такого типа не разрабатываются. Интенсивные работы по конструированию и производству комбинированных агрегатов начаты в 50-60 годах прошлого столетия зарубежными фирмами и в конце 60-х годов и в нашей стране. Это было вызвано необходимостью сократить число проходов сельскохозяйственных агрегатов по полю, поскольку к этому времени механизация растениеводства достигла уровня, при котором суммарная площадь следов колес сельскохозяйственных машин и тракторов, воздействующих на почву в течение сезона полевых работ, по данным, приведенным в работах [35, 87], стала составлять 80-200 % площади поля. Как показывают результаты исследований, проводившихся в различных зонах нашей страны, такое интенсивное воздействие ходовых систем отрицательно сказалось на водных, воздушных и питательных свойствах почвы, привело к распылению ее верхних слоев и переуплотнению подпахотных. В результате этого урожаи сельскохозяйственных культур снизились на 10-30 %.
Кроме того, создание комбинированных агрегатов в полной мере соответствовало наметившейся в 50-60 годы тенденции роста энергонасыщенности тракторов, поскольку машины, совмещающие несколько операций, в полной мере решают вопрос их загрузки.
Технологические параметры дисковых рабочих органов
Изучением рабочих органов дисковых орудий занимались многие исследователи, среди них, в первую очередь, можно отметить работы доктора технических наук Г.Н. Синеокова, который разработал теорию дисковых рабочих органов. Исходя из геометрических предпосылок, он определил функциональную зависимость между диаметром диска, углом атаки, расстоянием между рабочими органами и высотой гребней для борозды [71]. Г.Н. Синеоков предложил графический метод построения траектории движения точек сферического диска [68].
Значительный вклад в исследование дисковых рабочих органов внес П.С. Нартов [53]. Он изучил кинематику дисковых рабочих органов, характер перемещения почвенной массы рабочей поверхностью сферических дисков, предложил методику проектирования рабочих органов дисковых орудий, дал рекомендации по обоснованию оптимальных параметров дисковых рабочих органов. Однако эти исследования проведены относительно орудий, используемых в лесном и сельском хозяйстве на других технологических операциях, и не могут быть достаточными для обоснования параметров дисковых орудий для предпосевной обработки почвы под зерновые культуры. В то же время П.С. Нартов указывает на широкие возможности применения дисковых рабочих органов на самых различных операциях обработки почвы. Он утверждает, что, варьируя геометрическими (и другими) параметрами дисков, можно в больших пределах изменять величину основных показателей, характеризующих положение почвенной массы после воздействия на нее рабочих органов, добиваясь максимального удовлетворения требований в отношении качества обработки почвы. В указанных исследованиях также установлен характер резания почвы и силовые характеристики дисковых рабочих органов.
М. Л. Гусяцкий, исходя из указаний Н.Д. Лучинского, теоретически вывел для лущильника зависимость между диаметром диска, расстоянием между дисками, углом атаки и высотой несрезанной площадки на дне борозды в почвенном канале ВИМа, экспериментально определил влияние этих величин на тяговое сопротивление и вертикальную реакцию почвы [25].
Интересную работу провела кандидат технических наук М.А. Путинцева, исследовавшая применение дисковых орудий на целинных и залежных землях. Глубокое изучение процессов, происходящих при движении диска в почве, позволило автору сделать ряд практически ценных предложений по улучшению работы этих орудий. Предложенная Путинцевой методика определения удельного сопротивления почвы дискованию в кг/см2 вместо ранее рекомендованно го в кг на метр захвата позволяет более объективно судить об энергоемкости дисковых орудий [63].
Проведенный анализ литературных источников и конструкций машин показывает, что наиболее эффективными на обработке почвы, в том числе на предпосевной, являются комбинированные агрегаты. Из рабочих органов, применяемых на предпосевной обработке почвы, наибольшее преимущество имеют дисковые. При определенных параметрах они могут выполнять различные операции почвообработки. Так как предпосевная обработка почвы под зерновые объединяет несколько операций, то для ее выполнения необходимо иметь как минимум два типа дисковых рабочих органов с различными параметрами. Для получения наибольшего эффекта и выполнения предпосевных операций за один проход указанные дисковые рабочие органы необходимо устанавливать на одном комбинируемом агрегате.
В рассмотренных исследованиях остаются недостаточно изученными как теоретические, так и практические вопросы обоснования параметров дисковых рабочих органов для выполнения операций предпосевной обработки почвы, а также тягового сопротивления дисковых орудий. Нет также исследований по взаимосвязи тягового сопротивления агрегата с конструктивными и технологическими параметрами рабочих органов. Синеоков Г.Н. [69] пишет: «Определение силовой характеристики сферического диска возможно лишь на основе применения аппаратуры для пространственного динамометрирования. Немногочисленные эксперименты такого рода проводились главным образом в США, однако опубликованные до сих пор данные противоречивы и могут быть использованы лишь для приближенных расчетов».
Следует отметить, что исследования комбинированных агрегатов для предпосевной обработки почвы, которые включают в себя только дисковые рабочие органы с различными параметрами, практически отсутствуют.
В связи с изложенным можно утверждать, что среди серийных образцов отсутствует конструкция дискового комбинированного орудия, позволяющего выполнить агротехнические нормы для предпосевной обработки почвы с ми нимальными энергозатратами. Поэтому для разработки такой конструкции необходимо определить конструктивные и технологические параметры дисковых рабочих органов (диаметр диска, углы установки, угол атаки, расстояние между дисками), которые обеспечивают качественную и эффективную работу агрегата. Причем разработка конструкции орудия должна проводиться с использованием стандартных узлов и деталей, а также обеспечением максимальной преемственности и взаимозаменяемости деталей новых машин [67, 69].
Планирование экспериментальных исследований
В качестве объекта исследования принят экспериментальный образец комбинированного орудия шириной захвата 3,5 м с симметричным двухрядным расположением дисковых рабочих органов, который может использоваться как в одно, так и в двухрядном варианте (рисунок 19). Для целей эксперимента на первый или и на второй ряд батарей устанавливались сферические диски различного диаметра (240, 450, 660 мм), с расстоянием между дисками (длина распорных втулок ПО, 165, 192,5, 220 мм). В процессе экспериментов поворотом батарей диски устанавливались к направлению движения агрегата (угол атаки) на угол 20, 30,40 градусов. Для изменения угла наклона применялось индивидуальное крепление дисков. С этой целью каждый диск с прикрепленной к нему втулкой устанавливался на стойке, которая вставлялась в поворотную головку специального кронштейна. Кронштейн монтировался на застопоренной оси батареи с возможностью их перемещения для изменения расстояния между дисками. Угол установки диска относительно к вертикали принимался равным 0, 7,5, 15 градусов. Экспериментальный образец орудия работал с трактором МТЗ -80 или Т-150К.
Экспериментальные исследования проводились в 1998-2002 гг. на полях учебно-опытного хозяйства Белгородской государственной сельскохозяйственной академии. Почвы на полях опытного участка типичные для Центрально-Черноземной зоны и по механическому составу относятся к выщелоченным черноземам. Фон стерня после уборки гороха. Рельеф поля ровный с незначительным уклоном (0,5-3 градуса). При оценке качества работы экспериментального комбинированного агрегата в наших исследованиях предусматривалось определение следующих показателей: a) твердость и влажность почвы; b) глубина обработки и профиль дна борозды; c) гребнистость поверхности поля; d) крошение почвы; e) наличие сорных растений до и после прохода агрегата. При энергетической оценке агрегата предусматривалось определение расхода горючего и тягового сопротивления агрегата. Параллельно с полевыми экспериментами проводились лабораторные опыты по определению физико-механических свойств обрабатываемой почвы. Для определения агротехнических показателей на опытном участке разбивались учетные площадки, три по ходу движения и обратно [65]. Для этих целей был выделен участок площадью 5,0 га после уборки гороха. На участке отмечались вешками поворотные полосы шириной 20 м, участки разгона длиной по 20 м и учетные участки длиной по 30 м. Между вешками на учетных участках устанавливались пронумерованные колышки для ориентировки при измерениях и взятии проб для агротехнической оценки качества работы агрегата. Повторность опыта была принята шестикратная (три повторности в прямом и три - в обратном направлении движения агрегата). Влажность почвы определяли путем погружения специального бура в почву на заданную глубину. Глубину погружения бура в почву определяли по рискам, нанесенным на внешней части бура. Повернув 1-2 раза по часовой стрелке, бур извлекали и почву, находящуюся в его полости, помещали в предварительно взвешенные бюксы и закрывали крышкой. Бюксы с землей помещали в ящик и доставляли для взвешивания и сушки в лабораторию. Пробы высушивали в сушильных шкафах при Т=105С в течение нескольких часов, периодически взвешивая. Пробы сушили до постоянного веса. Пробы почвы на влажность брались в горизонтах 0-5, 5-Ю, 10-15 см непосредственно перед проходом агрегата и после прохода через час. При взятии проб в журнал заносились: дата, номер бюкса и глубина взятия пробы. Характеристика рельефа участка определялась глазомерно. Твердость почвы определяли самопишущим твердомером конструкции Ревякина путем погружения его плунжера в почву на глубину до 15 см по горизонтам 0-5, 5-Ю, 10-15 см. Определение проводили до начала опыта и после в 5-ти местах учетной площади, где бралась проба на влажность. На диаграмме твердости отмечали дату взятия пробы, номер опыта, повторность, номер пружины, диаметр плунжера и его тип. Величина средней твердости почвы, Н/мм , вычислялась введением данных в компьютер. Глубину обработки (взрыхленного слоя) определяли путем погружения линейки в почву до необработанного слоя. Для этого на каждой повторности производили не менее 50 измерений. Измерения проводили по следу каждого рабочего органа с интервалом 1 метр по ходу движения агрегата и обратно. Погрешность измерения глубины не более ± 0,5 см. Данные заносили в журнал. Гребнистость дна борозды и поверхности поля (профилирование дна борозды и поверхности поля) определялась с помощью специального профилимера (рисунок 20). При работе с профилимером перед учетным проходом агрегата на делянке забивали два колышка - один на борозде, сделанной последним диском, другой - на невспаханной части делянки на расстоянии, равном длине рейки. Направление рейки должно быть перпендикулярно направлению движения агрегата. Рейку укладывали на поверхность взрыхленного слоя и измеряли расстояние от нижней части рейки до необработанного слоя (до дна борозды), а гребнистось поля измеряли от нижней части рейки до поверхности почвы. Замеры проводили через 5 см по всей ширине захвата агрегата с помощью заостренных металлических стержней, которые погружались до дна борозды. Горизонтальность рейки проверяли по уровню. Данные записывали в журнал. Погрешность измерений допускается ± 0,5 см.
Определение физико-механических свойств почвы и коэффициентов, необходимых для расчета тягового сопротивления дискового орудия
Комбинированное дисковое орудие предназначено для предпосевной обработки почвы после уборки зерновых и пропашных культур с уничтожением сорняков и измельчением пожнивных остатков, а также лущения стерни, разделки вспаханных пластов почвы, заделки гербицидов и удобрений, ухода за лугами и пастбищами.
Орудие состоит из центральной 1 и двух боковых рам 3 и 6, четырех батарей 2 и 9 переднего ряда, четырех батарей 4 и 7 заднего ряда, колесного хода 5 и гидросистемы 8.
Дисковые батареи расположены симметрично и присоединены снизу к рамам при помощи кронштейнов и подшипниковых узлов. К основной раме 1 крепятся четыре батареи - передние левая и правая и задние левая и правая. К боковым рамам 3 и 7 крепятся по одной передней и по одной задней дисковой батарее. Каждая батарея состоит из дисков, насаженных на ось через распорные втулки и стянутых гайкой на конце оси. Средняя распорная втулка на батарее представляет распорную пружину 10, которая обеспечивает постоянство сил трения между дисками. Боковые рамы с установленными на них дисковыми батареями соединяются с центральной рамой шарнирно, что позволяет при транспортировании уменьшить ширину орудия путем установки боковых рам в вертикальное положение с помощью гидроцилиндров. Орудие опирается на колесный ход 5, ось которого присоединяется к продольным брусьям центральной рамы с помощью двух опор скольжения. К оси колес приварены два рычага, к которым присоединяется гидроцилиндр подъема в транспортное положение. В передней части центральной рамы имеется прицепное устройство, при помощи которого орудие соединяется с трактором. Рабочий процесс, выполняемый комбинированным орудием, осуществляется следующим образом. При поступательном движении орудия и «плавающем» положении гидросистемы дисковые батареи под собственным весом заглубляются в почву. Передние вырезные диски, вращаясь, крошат верхний слой почвы, подрезают и измельчают растительные остатки и сорняки, перемешивают их с почвой, частично оборачивают и сдвигают в сторону верхний слой почвы. Вырезы в дисках улучшают дробление пластов. Диски задних батарей, двигаясь со смещением от следов передних, срезают гребни на дне борозды, выравнивая семейное ложе, производят более мелкое крошение почвы и измельчение растительных остатков и выравнивают поверхность поля. В соответствии с предложенной схемой при участии автора была разработана техническая документация на изготовление комбинированного дискового орудия. По указанной документации ОАО «Белгородский энергомеханический завод», ныне ОАО «Белагромаш-Сервис», были изготовлены опытные образцы орудия КАД - 7, которые прошли производственную проверку, а затем приемочные испытания [1]. Производственная проверка экспериментального образца орудия проводилась на полях ОПХ «Центральное» Белгородской государственной сельскохозяйственной академии в Белгородском районе Белгородской области. Целью проверки являлась оценка работоспособности орудия в реальных условиях эксплуатации и получение исходных данных для расчета экономической эффективности применения орудия. Объектом для сравнения был взят серийный агрегат для предпосевной обработки почвы АКП - 5. Оба агрегата работали на одном поле в одинаковых условиях. Наработка каждого агрегата в период наблюдений составила 50 га. Перед проведением эксплуатационных испытаний были определены показатели характеристики поля. Пробы для определения показателей качества выполнения технологического процесса почвообрабатывающего орудия отбирались и обрабатывались по методике, представленной в разделе 3. Для определения эксплуатационных показателей в течение трех рабочих смен проводили хронометражные наблюдения. Результаты произведенной проверки проведены в таблице 9. Анализ полученных данных показывает, что КАД-7 в сравнении с АКП-5 выполняет технологический процесс с лучшими качественными показателями. КАД-7 лучше измельчает почву за один проход, доводя ее до мелкокомковатого состояния, которое позволяет дольше сохранять влагу в почве, подрезает сорные растения, уменьшает гребнистость семенного ложа и поверхности почвы, что улучшает качество посева зерновых и равномерность всходов и повышает урожайность. Отмечено также улучшение технико-эксплуатационных показателей работы: увеличение производительности, снижение расхода топлива и энергоемкости. Таким образом, производственная проверка экспериментального дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы показала, что это орудие является работоспособным, а показатели выполнения технологического процесса предпосевной обработки почвы отвечают агротехническим требованиям. Кроме этого, разработанное орудие имеет ряд существенных преимуществ перед серийным АКП - 5 по качественным и технико-эксплуатационным показателям.
