Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Анализ применяемых вариантов технологий уборки незерновой части урожая зерновых колосовых культур 9
1.2 Использование соломы в полеводстве 20
1.2.1 Использование незерновой части урожая различных сельскохозяйственных культур 20
1.2.2 Комбайновая технология подготовки и использования соломы в качестве органического удобрения 25
1.2.3 Валковая технология подготовки и использования соломы в качестве органического удобрения 28
1.2.4 Экологические проблемы, возникающие при сжигании соломы 29
1.3 Анализ конструкций измельчителей соломы и приспособлений к комбайнам для утилизации НЧУ и их технологические схемы...30
1.3.1 Анализ режимов работы зерноуборочных комбайнов по способу утилизации НЧУ 30
1.3.2 Агротехнические и зоотехнические требования к машинам для уборки зерновых колосовых культур и измельчителям соломы 34
1.4 Краткие выводы, цель и задачи исследования 40
2. Обоснование оптимальных параметров, режимов работы и качественных показателей подборщика-измельчителя соломы 42
2.1 Обоснование оптимальных параметров и режимов работы подборщика-измельчителя соломы 42
2.2 Обоснование функций распределения показателей качества работы измельчителя соломы 52
2.3 Оптимизация удельных энергозатрат подборщика-измельчителя соломы методом геометрического программирования 58
з 2.4 Оптимизация длины холостого хода агрегата методом геометрического программирования 61
3. Программа и методика экспериментальных исследований 67
3.1 Программа исследования 67
3.2 Методика проведения экспериментального исследования подборщика-измельчителя соломы 67
3.2.1 Объект исследования 67
3.2.2 Методика проведения исследования прицепного подборщика-измельчителя соломы 69
3.3 Методика планирования экстремальных экспериментов 79
3.4 Методика проведения эксперимента и математическая обработка его результатов 83
3.5 Методика исследования валка соломы озимой пшеницы после обмолота 87
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 90
4.1 Анализ показателей условий работы подборщика- измельчителя соломы 90
4.2 Оптимальные параметры и режим работы подборщика-измельчителя соломы 104
4.3 Качественные показатели работы подборщика-измельчителя соломы 122
4.3.1 Качество измельчения соломы при подборе из валков 122
4.3.2 Ветроустойчивость мульчированного фона и равномерность распределения соломы по полю при работе измельчителя .. 129
4.3.3 Зависимость длины резки от кинематических характеристик работы агрегата 131
4.4 Оптимизация эксплуатационных параметров работы подборщика-измельчителя соломы 133
4.4.1 Анализ производительности подборщика-измельчителя соломы 137
4.4.2 Анализ расхода топлива при работе подборщика-измельчителя соломы 143
4.5 Методика инженерного расчета подборщика-измельчителя соломы 147
4.5.1 Расчет барабанного подборщика соломы 147
4.5.2 Методика расчета измельчителя соломы 150
4.5.3 Определение мощности на привод измельчителя соломы 154
4.5.4 Построение номограммы для определения производительности подборщика-измельчителя 158
4.6 Краткие выводы 160
5. Экономическая и биоэнергетическая эффективность результатов исследований 162
5.1 Общие положения 162
5.2 Расчет эффективности инвестиций по внедрению новой технологии 166
Основные выводы 170
Список использованных источников 173
Приложения 184
- Валковая технология подготовки и использования соломы в качестве органического удобрения
- Оптимизация удельных энергозатрат подборщика-измельчителя соломы методом геометрического программирования
- Методика проведения исследования прицепного подборщика-измельчителя соломы
- Ветроустойчивость мульчированного фона и равномерность распределения соломы по полю при работе измельчителя
Введение к работе
Ведение сельскохозяйственного производства в сложившихся рыночных экономических отношениях показало, что применяемые сейчас в хозяйствах края технологии возделывания основных культур являются дорогостоящими, требуют больших материальных затрат, большого количества горючесмазочных материалов и не отвечают современным экологическим требованиям. В результате этого получаемая продукция становится неконкурентоспособной, хозяйства получают низкую прибыль от реализуемой продукции. Положение усугубляется еще тем, что имеющийся в крае машинно-тракторный парк сильно изношен и перегружен.
На Кубани в течение длительного времени пожнивные остатки колосовых культур (солома-стерня) выжигаются на значительных площадях. Принято считать, что этот прием является наиболее быстрым и дешевым способом освобождения полей для проведения последующих агротехнических работ. Исследования последних лет, проведенные учеными нашего университета, показали, что при сжигании соломы и стерни наносится непоправимый экологический урон: усиливается процесс дегумификации почв, изменяется агробиоценоз и состав почвенной биоты, уничтожается ценная органическая масса, загрязняется воздушный бассейн. Интенсивное выжигание излишков соломы и стерни, особенно в последние годы, привело к негативным явлениям не только в сельском хозяйстве, но и в здравоохранении.
Альтернативой сжиганию может быть природоохранный прием использования соломы в качестве органического удобрения, разработанный наукой еще в 80-тые годы и уже давно применяемый, но, к сожалению, только в отдельных наших хозяйствах.
Интересы снижения себестоимости сельскохозяйственной продукции, повышение ее конкурентной способности диктуют необходимость использования имеющихся в хозяйствах резервов, способных дать отдачу в кратчайшие сроки, Одним из них является изменение технологии уборки зерновых - переход с коленной технологии на технологию с измельчением и разбрасыванием соломы по полю одновременно с уборкой зерновых, что дает значительный эф-
6 фект путем резкого сокращения горючего и машинного времени. При этом одновременно решаются вопросы использования соломы на органическое удобрение или в качестве мульчирующего материала. Применение соломы зерновых колосовых культур в сочетании с минимальными обработками почвы (мульчирующая обработка почвы) решает комплексную задачу - защиту полей Кубани от ветровой эрозии и дефляции, а также повышения плодородия почвы, а следовательно и урожайности сельскохозяйственных культур, положительно будет действовать на экологическую обстановку в крае.
Однако применяемая технология измельчения и разбрасывания соломы имеет много существенных недостатков. Главные из них следующие:
Использование комбайновых измельчителей не обеспечивает равномерность распределения измельченной соломы по ширине захвата жатки: коэффициент вариации превышает ±25% /94, Z6L
Применение серийных измельчителей соломы снижает производительность комбайнов на 10-25% и срок их службы 126,127/.
Существующие измельчители не выполняют агротехнические требования по степени измельчения соломы и расщеплению ее вдоль волокон ПК
Потери зерна при работе комбайнов с измельчителями возрастают на 0,5%, а расход топлива - на 15-20% /26/.
Наша работа направлена на устранение указанных недостатков применяемой технологии уборки зерновых колосовых культур и главным образом на повышение производительности зерноуборочных комбайнов, качество измельчения и равномерности распределения соломы, снижение потерь урожая за счет работы их в режиме капота при последующем использовании прицепных подборщиков-измельчителей соломы. От комбайна необходимо отделить функции сбора, измельчения и разбрасывания НЧУ.
Цель диссертации - обоснование оптимальных режимных параметров подборщика-измельчителя соломы, параметров формируемого для него валка при обмолоте комбайном и повышение качества работы.
Научную новизну исследований представляют оптимальные параметры формируемых валков соломы и законы распределения их показателей; опти-
мальные режимные параметры подборщика-измельчителя соломы; зависимости эксплуатационных и технологических показателей подборщика-измельчителя (производительности, пропускной способности, расхода топлива) от условий и режимов его работы. Новизна технического решения подтверждена положительным решением Роспатента на выдачу патента на изобретение по заявке № 2002115618/12(016470).
Объект исследования — технологии уборки зерновых колосовых культур, а также процесс подбора валков соломы, ее измельчения и разбрасывания по полю.
Предметом исследования является выявление закономерностей условий эффективного функционирования подборщика-измельчителя соломы и изменения его эксплуатационно-технологических показателей работы от условий уборки.
Практическая ценность. Использование зерноуборочных комбайнов в режиме капота с последующим применением подборщика-измельчителя соломы позволяет уменьшить потери зерна, износ комбайна, повысить его производительность, качество измельчения и равномерность распределения соломы по полю, снизить в целом эксплуатационные затраты на уборку.
Ценность представляет также методика инженерного расчета механизмов подборщика-измельчителя.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике на 1996-2000 гг. (ГР 01960009007) и на 2001-2005 гг. (ГР 01200113467).
Основные ее положения доложены и одобрены на научных конференциях КГАУ (2001-2003 гг.) и опубликованы в центральных журналах и научных трудах университета. Макетный образец подборщика внедрен в учхозе "Кубань" (приложение 1), а результаты его исследований - в учебный процесс КубГАУ.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
1. Закономерности условий функционирования подборщика-измельчителя соломы.
Оптимальные режимные параметры подборщика-измельчителя соломы.
Зависимости производительности подборщика-измельчителя, его пропускной способности, расхода топлива от условий уборки и режимных параметров.
Методика инженерного расчета механизмов подборщика-измельчителя соломы
5. Экономическая эффективность усовершенствованной технологии
уборки озимой пшеницы с использованием прицепного подборщика-
измельчителя соломы.
Автор выражает благодарность к.т.н. доценту Небавскому В.А. за оказание практической помощи при проведении совместных испытаний подборщика-измельчителя соломы.
Валковая технология подготовки и использования соломы в качестве органического удобрения
В случае отсутствия измельчительных приспособлений на зерновых комбайнах солома на поле формируется в валках. После прохода комбайна включаются в работу агрегаты для подбора и измельчения соломы КИР-1.5, КУФ-1,8, Е-281, КСК-100 и др. Агрегаты движутся вдоль валков, подбирают солому, измельчают ее и разбрасывают резку по полю.
Прицепной подборщик-измельчитель соломы ИСП-1,5 разработан в СКОС ВИМ (г. Армавир) в 1993 году. Конструкция его работоспособна: ширина разбрасывания соломы равна 4,6 м, длина резки до 10 см составляет 62%, до 15 см - 90%. Агрегат достигал производительности 3,4 га/час сменного времени при рабочей скорости 7км/час. Качество и распределение соломы не препятствует требованиям работы почвообрабатывающих машин /65/.
Однако его параметры, режимы работы, оптимальные параметры валка, его "мощность", оптимальная пропускная способность, качественные показатели работы, не обоснованы, не разработана методика инженерного расчета механизмов, не обоснована экономическая эффективность, что и вошло в задачи наших исследований (4 и 5 задачи).
В Северно-Кавказском НИПТИ агрохимии и почвоведения разработана технология заделки соломы из валков в почву при помощи плугов. Агрегаты, включающие трактор Т-150 и плуг ШШ-5-35 с приспособлением, движутся поперек валков, уложенных после комбайнирования /140/.
Приспособление к плугу состоит из устройства дисковых зубчатых ножей и прижимных катков, установленных перед каждым корпусом. Ножи смещены назад относительно катков на 100-150 мм.
При движении агрегата по полю прижимные катки придавливают солому к почве, чем создается уплотненный слой, который попадает под дисковой нож. В таком виде солома перерезается. Движущийся сзади приспособления корпус плуга с лемехом подрезает почву и вместе с соломой отправляет на отвал, который, переворачивая его, образует оборот пласта.
В течение полевых испытании солома разрезалась на части по 25-35 см, заделывалась в почву на глубину 20 см массой до 60% от ее урожая /140/.
При работе отмечалось меньшее забивание стоек плуга соломой, а поэтому производительность агрегата была выше по сравнению с контрольным без измельчения в 1,6 раза /140/.
Перед вспашкой почвы азотные удобрения вносятся по валку. В виду неравномерности распределения соломы после вспашки расчетная доза их увеличивается в 1,2-1,5 раза в зависимости от величины урожая соломы.
Однако эта технология не нашла еще широкого применения из-за недостаточного научного обоснования и отсутствия приспособления к плугам. К тому же сама технология расчитана с применением вспашки, что не всегда оправдано, особенно в связи с защитой от дефляции, эрозии почв и экономией ресурсов.
При валковой технологии рекомендуется под плуг вносить и планируемую дозу минерального удобрения, рассчитанную на урожай сельскохозяйственной культуры. В этом случае появляется большая вероятность распределения азотного удобрения по уложенным в борозду жгутам соломы.
Применение подобных агрегатов способствует внедрению в производство технологии запашки соломы, не связанной с комбайнированием, а также использовать на этой операции другие типы машин. Интенсивность негативного экологического влияния горящей соломы ус тановлены в исследованиях Кубанского агроуниверситета и Краснодарского Солома сгорает на 1 м2 за 30-40- сек, при этом температура на поверхности почвы достигает 360С, на глубине 5 см - до 50С, выгорание гумуса отмечено в слое 0-50см, а потери воды - в слое до 10 см.
При сжигании всей массы соломы - бт/га на второй день после уборки соломы, стерня и поверхность почвы подсыхали, при этом потери гумуса возрастали на 7,31 т/га- 30,6% от исходного и потери воды -до 69,4 м3/га- 21,6%. Сжигание только стерни - 2т/га на второй день после уборки пшеницы слабо влияло на изменение плодородия почвы - гумуса терялось 0,4 т/га или .« 1,7% и почвенной воды - 1,8м3/га или 0,5% от исходного содержания.
Однако после сжигания подсохшей стерни через 14 дней после уборки эти потери резко возрастали и составляли: гумуса 2,7т/га или 11,5% и почвенной влаги 35,2 м га или 10,7% от исходного.
При сжигании соломы ухудшаются водно-физические свойства почвы, и уменьшалась ее биологическая активность. В частности, увеличилась глыби-стость почвы.
Доля агрономически ценных агрегатов сократилась с 66-72 до 56-67%, а водопрочность агрегатов уменьшалась с 52,0-58,5 до 49,4-52,0%.
При сжигании стерни существенное ухудшение физических свойств почвы установлено только при длительности времени от уборки до сжигания в 14 дней, за которые стерня и почва подсыхали.
При сжигании соломы уничтожается растительность, животный мир, в том числе и полезные для сельского хозяйства макро и микроорганизмы.
Оптимизация удельных энергозатрат подборщика-измельчителя соломы методом геометрического программирования
Эффективность работы машинно-тракторного агрегата, то есть измельчителя соломы, можно оценивать по минимуму удельных энергозатрат, Е„ — min, максимуму чистой производительности W и максимуму тягового КПД трактора r\t— max.Рассмотрим оптимизацию указанных параметров на примере подборщика-измельчителя соломы в агрегате с трактором МТЗ-80. Исходные данные: iVH=55,2 кВт; А;=800 Н/м; Д#=0,0б; 5=0,07; 5км/ч Vp 13км/ч; 20 ц/га С/с 100 ц/га; А=0,78; 7«=0,91; 7в=0,95;/=0,6. По программе (приложение 6) получим следующие результаты: Еп 1,89 кВт ч/га; Uc =20 ц/га, а V— 5 км/ч. На рис. 2.8 показана зависимость удельных энергозатрат от урожайности соломы и скорости движения агрегата.
Рисунок 2.8 Зависимость удельных энергозатрат подборщика-измельчителя соломы от урожайности соломы при разных скоростях движения. Анализ рисунка (2.8) показывает, что удельные энергозатраты подборщика-измельчителя соломы изменяются прямо пропорционально росту урожайности соломы. Скорость движения агрегата на удельные энергозатраты подборщика-измельчителя соломы влияет в меньшей степени.
Итак, при пропускной способности агрегата 15кг/с и урожайности соломы Uc=84 ц/га производительность подборщика-измельчителя составит 6,4га/ч, удельные энергозатраты 4,25кВт ч/га, потребная мощность на работу агрегата 27,2кВт. Для оптимальной загрузки двигателя трактора необходимо повысить производительность агрегата до 12,2 га/ч за счет увеличения скорости движения и пропускной способности.
Методика проведения исследования прицепного подборщика-измельчителя соломы
Перед началом проведения исследований выделяли участок поля, на котором определяли характеристику фона после уборки зерновых колосовых культур (озимая пшеница сорта Победа 50) /20, 21, 22, 35/. Характеристика опытного участка приведена в таблице 3.2.
Густоту стояния стеблей на поле определяли на трех учетных площадках площадью 0,5 кв. м, расположенных по диагонали участка.
На каждой площадке замеряли: высоту растений - измерением от поверхности почвы до верхней части растения в естественном состоянии; длину колоса; количество стеблей; массу снопа.
Для определения содержания зерна в общей массе растений все стебли срезали на учетной площадке 0,5 кв. м на высоте среза 10-12 см согласно агрот-ребованиям.
Сформированные снопы обмолачивались с помощью лабораторной молотилки МС-1 и взвешивали полученное зерно. Отношение зерна к общей массе соломы и половы определяли по формуле:
Засоренность участка сорными растениями, влажность зерна и стеблей определяли по ГОСТ 20915 - 75 /22/.
Агротехническая оценка работы прицепного подборщика-измельчителя соломы производилась на одном типичном фоне по влажности, урожайности соломы и засоренности убираемой культуры. При этом определялись следующие показатели:
- производительность агрегата, га/ч;
- качество измельчения соломы (фракционный состав, степень продольного расщепления частиц, степень измельчения по фракциям, противо-эрозионная устойчивость агрофона);
- ширина разбрасывания;
- равномерность распределения по полю;
- расход топлива.
Для определения качественных и эксплуатационных показателей работы агрегата формировались учетные делянки длиной Юме определенной «мощностью» валка соломы кг/п.м.
Перед началом работы включались рабочие органы, устанавливался необходимый режим работы. После этого агрегат с заданной скоростью проходил учетную делянку без остановки.
Продолжительность опыта фиксировалась секундомером. Скорость движения агрегата определяли по известной формуле:
Vp- f- , (3.2
где: Vp - скорость движения агрегата, м/с;
L0 — путь, пройденный агрегатом за опыт, м; 10- продолжительность опыта, с. Замеры расхода топлива проводили с помощью приспособления, показанного нарис. 3.4.
При подходе агрегата к контрольной вешке на установленной скорости трехпозиционный кран 3 (рис. 3.4) переключали с бака на мерную емкость 1, при завершении опыта напротив второй контрольной вешки кран 3 переводился в обратное положение.
Для определения качества измельчения стеблей выделяли навеску измельченной соломы массой 1 кг. Собранные пробы измельченной соломы взвешивались с точностью до 1 г. В средней пробе в трехкратной повторности измеряли линейкой все частицы и распределяли по четырем классам: 0 - 50,0; 51,0 - 100,0; 101,0 -150,0 и свыше 150,0 мм.
Частицы взвешивали по классам и определяли процентное соотношение классов, средневзвешенный размер частиц и однородность измельченного продукта.
Ветроустойчивость мульчированного фона и равномерность распределения соломы по полю при работе измельчителя
Для оценки ветроустойчивости агрофона, мульчированного измельченной соломой, важно знать количество частиц соломы условного размера 15 см /128/, которое определяется по выражению:на после измельчения достаточно высокая. Исследованиями установлено, что для надежной защиты почвы от ветровой эрозии предельная концентрация растительных остатков условной длиной 15 см должна составлять не менее 200 шт/м2 /128/.
Равномерность распределения измельченной соломы на поверхности почвы оценивали по ширине захвата подборщика-измельчителя. Величина ее определялась по формуле /128/:
р=д Чср -100% ,
Яср
где: qt - масса измельченной соломы с і - ой площадки контрольной рамки, г; Чср - средняя масса измельченной соломы на одной площадке рамки, г.
Результаты опытов по определению равномерности распределения соломы по полю приведены в таблице 4.8. К сожалению, равномерность распределения сухой соломы влажность до 15-20% в сильной степени зависит от рабочей скорости агрегата и ветра, что не позволяет уложиться в агротребования ±25%. При влажности измельченной соломы выше 20% требования по равномерности распределения соломы выполняются (табл. 4.8).
Полученные данные свидетельствуют о невыполнении требований по равномерности распределения измельченной соломы на двух крайних площадках при низкой влажности соломы до 10%. При более высокой влажности неравномерность распределения частиц по ширине захвата машины составляет не выше 21,7% (1-я площадка) и 22,1% (9-я площадка), т.е. находится в пределах агротребований.
Таким образом, проведенные исследования по качеству работы подборщика-измельчителя соломы показали, что он выполняет агротребования по равномерности распределения соломы при ее влажности выше 20%, степени измельчения и расщепления, а также по противоэрозионной устойчивости агро-фона. Если же рассчитать неравномерность распределения измельченной сухой соломы (до 10% влажности) по коэффициенту вариации распределения ее массы на 12 контрольных площадках, то его величина составит 19,5%, что соответствует агротребованиям. Коэффициент вариации массы соломы на контрольных площадках при влажности более 20% составил 13,9%, что свидетельствует о высокой равномерности распределения соломы на поверхности поля. Это преимущество прицепного измельчителя по сравнению с навесным на зерноуборочном комбайне, который при работе часто останавливается и образует на поле кучи измельченной соломы, что затем затрудняет обработку почвы и способствует развитию болезней и сельхозвредителей, не считая убытков от неравномерности распределения органики.
Как видно из графика (рис. 4.30), с увеличением скорости движения агрегата необходимо увеличить число оборотов ротора измельчителя, то есть увеличить окружную скорость молотков ротора для уменьшения длины резки. Например, при работе агрегата с рабочей скоростью 2,5 м/с (9 км/ч) для обеспечения качественной длины резки менее 5 см необходимо установить обороты ро 133 тора измельчителя в пределах более 2200 об/мин, т. е. окружная скорость молотка должна быть больше 70 м/с. На основании полученной зависимости, при проектировании подборщика-измельчителя соломы была установлена частота вращения ротора измельчителя 2250 об/мин.
Режимы работы подборщика-измельчителя соломы, влияющие на эксплуатационные параметры, являются количественными факторами, и задание сводится к выбору их оптимальных величин. Для этого использовали план типа Вк. Изучалось влияние двух факторов и фиксировались их значения на оптимальных уровнях. Факторы, интервалы и уровни варьирования представлены в таблице 3.3.
Теоретическими исследованиями установлено, что на эксплуатационные параметры подборщика-измельчителя соломы влияет пропускная способность подборщика-измельчителя соломы и влажность валка соломы.
Уровни факторов выбираем таким образом, чтобы оптимальные их значения, предсказанные теоретически или учитывающие существующие ограничения, попадали в центр интервала варьирования.
Максимальным и минимальным для первого фактора было принято значение 8 кг/с и 2 кг/с. Максимальным значением для второго фактора являлось влажность валка соломы сос=60%, так как при большей скорости движения агрегата невозможно обеспечить качественную работу подборщика-измельчителя соломы (с измельчителем ПКН-1500 Б).
Значение первого фактора устанавливали путем формирования валка обмолоченной соломы определенной плотности по длине 10 м и выбором скоростного режима движения агрегата.
