Содержание к диссертации
стр.
Введение 14
1 Анализ существующих способов и средств для нарезки гребней и
внесения твердых минеральных удобрений 20
Агробиологические особенности роста и развития растений картофеля 20
Обзор существующих технологий возделывания картофеля. Место машины гребнеобразователя-удобрителя в выбранной технологии 27
Агротехнические требования к заделке твёрдых минеральных удобрений в почву и её агрегатному составу при возделывании картофеля 33
Обзор конструкций существующих машин для нарезки гребней и внесения твёрдых минеральных удобрений в почву при возделывании картофеля 36
Анализ конструкций рабочих органов и выполненных исследований по механизации нарезки гребней и внесению твердых
минеральных удобрений 41
1.6. Цель и задачи исследований 48
2 Теория обоснования конструктивных и кинематических параметров
машины-удобрителя с активными рабочими органами 50
Технология и конструктивно-технологическая схема машины для внутрипочвенного внесения основной дозы твердых минеральных удобрений с одновременной нарезкой гребней фрезерными рабочими органами 50
Теоретическое обоснование конструктивных и кинематических параметров фрезерных рабочих органов 54
Обоснование формы и параметров лезвия Г-образного ножа 54
Обоснование кинематических и конструктивных параметров
активного рабочего органа 56
Определение кинематических параметров фрезы 64
Кинематика и закономерность изменения угла резания
ножей 66
2.3 Определение зоны деформации почвы активным рабочим
органом и параметров почвенной стружки 73
2.4 Теоретическое обоснование мощностных показателей машины
гребнеобразователя-удобрителя с предлагаемыми активными
рабочими органами 80
Выводы 84
3 Экспериментальное исследование рабочего процесса машины
гребнеобразователя-удобрителя с активными рабочими органами
в лабораторных и полевых условиях 85
Общая программа и методика исследований 85
Программа и методика лабораторных исследований машины гребнеобразователя-удобрителя с предлагаемым активным
рабочим органом 86
Программа лабораторных исследований 86
Методика исследований 87
Оборудование для проведения лабораторных испытаний 88
Программа и методика проведения исследований в полевых условиях 91
Программа исследований 91
Методика исследований 92
3.5 Разработка методики определения качественных показателей
технологического процесса внутрипочвенного внесения основной
дозы твёрдых минеральных удобрений 93
3.5.1 Теоретические предпосылки выбора математической
модели для описания технологического процесса внесения и
заделки твердых минеральных удобрений 93
3.5.2 Разработка методики для выбора критериев оценки
оптимизации конструктивных параметров туконаправителя 94
3.6 Разработка программы и методики проведения испытаний
машины гребнеобразователя-удобрителя в условиях
картофелеводческого хозяйства 104
Программа исследований 105
Методика проведения исследований 105
4 Исследование рабочего процесса предлагаемого активного рабочего
органа в условиях хозяйства 109
Полученные результаты лабораторно-полевых исследований 109
Полученные результаты полевых испытаний 112
Результаты математической обработки полученных данных 119
Результаты хозяйственных испытаний 122
Выводы 133
5 Результаты внедрения и технико-экономическая эффективность
использования машины гребнеобразователя-удобрителя
с модернизированными рабочими органами 135
Общие выводы и рекомендации к производству 144
Список использованных источников 147
Приложения 157
Перечень условных обозначений и терминов
Условные обозначения, принятые в первом разделе:
С - градус по шкале Цельсия;
N - азотные удобрения;
Р205 - фосфорные удобрения;
К20 - калийные удобрения;
МИС - машинно-испытательная станция;
АПК - агропромышленный комплекс;
8 - ширина захвата ножа, м;
R - радиус отгиба крыла ножа, м; у - угол резания, град;
9 - угол отклонения цилиндрической части ножа, град;
Рп.п - избыточное давление, Па;
h - глубина обработки почвы;
к - коэффициент, зависящий от пористости почвенного слоя;
m - гидродинамический коэффициент;
р - плотность воздуха, кг/м3;
V - скорость воздушного потока, м/с;
d - средний диаметр частиц, м;
g - ускорение свободного падения, м/с .
Условные обозначения, принятые во втором разделе:
ах - угол направляющего косинуса вектора абсолютной скорости точки
лезвия относительно оси х, град.;
7] - угол между радиусом OqMx и горизонталью, град.;
у/ - угол между радиус-вектором скорости и касательной к лезвию,
град.;
в - полярный угол лезвия стойки ножа, град.; Smax — максимальная подача, м;
7 hmax - максимальная глубина обработки, м;
Я min - минимальное значение кинематического параметра;
hn - продольная высота гребней относительно дна борозды, м.;
р0 - начальный радиус-вектор, м;
Оке - конечный полярный угол для точки сопряжения линии лезвия стойки ножа с линией лезвия крыла ножа, град;
Ьк - наибольшая конструктивная ширина крыла ножа, измеряемая по перпендикуляру, восстановленному в точке N сопряжения лезвий стойки и крыла ножа, м.;
г - полярный радиус спирали, м;
а - расстояние от полярной оси до асимптоты, м;
<р - полярный угол гиперболической спирали, рад;
jj, - угол между касательной к спирали и полярной осью, град;
хос и zoc - координаты лезвия стойки ножа по оси вращения, м;
хок и уок - координаты лезвия крыла ножа по оси вращения, м; Н - высота ножа, мм.;
bk - конструктивная ширина захвата ножа, мм.; р - толщина ножа, мм.; Pi - толщина лезвия ножа, мм; h - высота рабочей части ножа, мм; і - угол заточки лезвия ножа, град;
а - угол между образующей цилиндрической части ножа и перпендикуляром к оси вращения, град; L - ширина ножа, мм;
Vn - скорость поступательного движения фрезы, м/с; / - время движения, с;
Ri - расстояние от оси вращения фрезы до рассматриваемой точки, м; ее - угол атаки фрезы, град;
8 P - угол наклона оси вращения фрезы к горизонту, град;
со — угловая скорость фрезы, с"1;
cot- угол поворота фрезы, отсчитываемый от оси ОХ по часовой стрелке, рад.;
Я — кинематический параметр фрезы; V - абсолютная скорость точки фрезы, м/с; є — абсолютное ускорение точки фрезы, м/с ; рн - угол начала резания, град;
р - радиус фиктивной окружности, м.;
єт - тангенциальное ускорение, м/с ;
j - угол установки крыла ножа, град;
єх - затылочный угол ножа фрезы в точке Мь град;
аг -угол направляющего косинуса вектора V, град;
z - число ножей, расположенных в одной плоскости и загнутых в одну сторону, шт;
hT - величину гребешка по агротехническим требованиям, м; R - радиус фрезы, м; у - угол резания, град;
Ау — изменение угла резания, град;
Я, — кинематический параметр фрезы при входе ножа в почву;
Я2 - кинематический параметр фрезы, когда лезвие на дне борозды;
Я3 - кинематический параметр фрезы при завершении среза почвенной
стружки;
Ф - угол внутреннего трения, град;
х - расстояние от крайней точки ножа до точки сопряжения лезвия крыла ножа с лезвием стойки, мм.;
Xi - расстояние между вершиной ножа и концом его отогнутой части, мм.;
тм - Угол сдвига материала, град.;
9 5M - угол сдвига материала, град.;
Вщах- максимальная ширина зоны деформации, м;
S - это расстояние между точками начала вхождения соседних ножей в
почву, м;
D - диаметр фрезы, м;
ВОМ - вал отбора мощности;
с - толщина стружки, м;
N - общая мощность, реализуемая фрезой, кВт;
N„, Np и N0 - мощности, необходимые, соответственно, для преодоления постоянных сопротивлений, осуществления резания (деформации почвенных стружек) и отбрасывания почвы, кВт;
Ар.с.- работа совершаемая лезвием стойки ножа при отделении почвенной стружки, Дж;
кл - удельная реакция почвы, Н/м;
/р - длина дуги резания, м;
Ас.л.- длина лезвия крыла ножа, м;
Ар.к - работа, совершаемая крылом, Дж;
ко - удельное сопротивление деформации почвы, Н/м2;
SK - фронтальная проекция крыла ножа, м ;
N , - мощность, реализуемая на резание и деформацию почвы одним ножом, кВт;
tp — время отрезания стружки, с;
Ыд - мощность, реализуемая на резание и деформацию почвы ножами одной плоскости вращения, кВт;
kz - коэффициент, учитывающий перекрытие ножей в работе;
tn - время от начала резания почвы первым ножом до начала резания вторым ножом, с;
т — масса почвы, отброшенная в единицу времени, кг;
рп - плотность почвы, кг/м3;
В — ширина захвата фрезы, м;
10 h - глубина обработки, м;
vp - скорость движения агрегата, м/с;
км - коэффициент отношения масс отброшенной к срезанной почве;
v - средняя скорость ножа в момент прихода в зону дна борозды, м/с;
п — количество секций ножей, шт;
Рф- средняя величина фронтальной реакции почвы на один нож, Н.
Условные обозначения, принятые в третьем разделе:
, - количество гранул, попавших в заданную область, шт.;
N - нормальный закон распределения; f(x) - функция переменной величины;
m - математическое ожидание (м.о.);
х - среднее значение математического ожидания в выборке;
а - среднее квадратичное отклонение (с.к.о.);
D - дисперсия случайной величины;
{St} - набор конструктивных параметров;
m^Si) - оценка математического ожидания;
D(S;)- оценка дисперсии;
Si - значения параметра; п - количество повторений опыта; м.о.- математическое ожидание; с.к.о-среднее квадратичное отклонение; МНК - метод наименьших квадратов; Х\ - угол отклонения тукопровода от вертикали, град; Хг — высота подъема нижней кромки тукопровода над поверхностью почвы, см.;
к - номер точки в пространстве;
m(k) — статистическая оценка м.о. в этой точке;
N— количество точек, характеризуемых значениями параметров Xj(k)\
a, b и с — коэффициенты уравнений;
1, X], Х2, Xi2, XiX2, Х22 - стандартный набор степенных функций; {
/ и j - количество вариантов угла наклона и высоты подъёма тукопро-вода;
/— критерий оптимизации;
G — область залегания основной дозы минеральных удобрений в грядке в соответствии с агротехническими требованиями;
max - максимальное значение;
min - минимальное значение;
F^(X ) - функция распределения случайной величины ;
0(t) - интеграл вероятностей;
Р - квантиль уровня закона распределения случайной величины ;
- нормированная случайная величина;
Рн - твердость почвы, Н/м ;
F— усилие, действующее на наконечник, Н;
SH - площадь основания наконечника, м2;
hn — величина деформации пружины, м;
к - жесткость пружины, Н/м;
Р - плотность почвы, г/см ;
W - абсолютная влажность почвы;
с - масса испарившейся воды, г.;
b - масса абсолютно сухой почвы, г.;
СО - относительная влажность почвы, %.
Условные обозначения, принятые в четвертом разделе:
т - математическое ожидание; 3 -дисперсия;
12 ai и bt — коэффициенты;
I4 - критерий;
А - определитель.
S - площадь поперечного сечения паза катушки, см ;
L - максимальная длина рабочей части катушки, см;
п - количество пазов на катушке, шт;
у - удельная масса удобрений, кг/см3.
Условные обозначения, принятые в пятом разделе:
П - приведенные затраты, руб./га; И - прямые эксплуатационные затраты, руб/га; К- капитальные вложения на гектар, руб/га; Е- нормативный коэффициент капитальных вложений; 3 — затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб/га; Г— затраты на горючее, руб/га;
Р - затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб/га; А - затраты на амортизацию, руб/га;
Ф - прочие прямые затраты на основные и вспомогательные материалы, руб/га.;
WcM — производительность агрегата за 1 ч. сменного времени, га/ч;
Вр— рабочая ширина захвата агрегата, м.;
VP- рабочая скорость агрегата, км/ч.;
JIj - количество j-го производственного персонала, чел.;
Tj — часовая тарифная ставка оплаты труда рабочих, руб/чел.-час;
Кд - коэффициент, учитывающий доплаты; qm - расход топлива, кг/га; Ц- цена 1 кг топлива, руб/кг.; Qr - часовой расход топлива, кг/ч;
WrM- производительность агрегата за 1 час эксплуатационного времени, га/ч.;
т - коэффициент использования времени смены;
Б- балансовая цена машины, руб.;
г?— коэффициент отчислений на текущий ремонт и техническое обслуживание;
Т3 — нормативная годовая загрузка, ч.
М— масса машины, кг.;
Цм — стоимость 1 кг комплексного материала для изготовления машины, руб.;
а - коэффициент отчислений на амортизацию машины;
В3 - годовая нагрузка машины с предлагаемым рабочим органом, га.;
Эр- годовой экономический эффект;
Пс, Пэ — приведенные затраты на гектар при возделывании картофеля по традиционной технологии и с использованием машины гребнеобразовате-ля-удобрителя, руб/га.;
Эсс - экономический эффект за срок службы машины, руб.;
У- прибавка урожая с каждого гектара, ц.;
У2 и Уj - урожайность картофеля с одного гектара, соответственно, на участке, обрабатываемом предлагаемой машиной, и участке, на котором картофель возделывался по применяемой в хозяйстве технологии, ц.;
С- прибавка денежных средств, руб.;
Ск — стоимость 1 центнера товарного картофеля, руб/ц.;
Су - стоимость перерасхода твердых минеральных удобрений при полной дозе внесения рассчитывается по формуле, руб.:
Му - масса дополнительно внесённых удобрений, т.;
Ст - стоимость 1 тонны твердых минеральных удобрений, руб/т.;
С]— прибавка денежных средств при дозе внесения 700 кг/га, руб.;
Сг — дополнительная прибыль при дозе внесения туков 700 кг/га, руб.
Введение к работе
С давних пор картофель известен как ценнейший продукт питания человека. Кроме того, это одна из продуктивных полевых культур, выращиваемых на технические и кормовые цели. «Возделывать картофель на полях, -писал академик Д.Н. Прянишников, - это то же, что получать три колоса там, где раньше рос один». В народе картофель справедливо называют вторым хлебом. [82]
Картофельный белок по своей биологической ценности стоит выше белков многих других растений. Питательная ценность белков определяется наличием в них незаменимых аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме человека и животных: валин, лизин, фенилаланин, триптофан, лейцин, изолейцин, метионин и треонин. Отсутствие этих аминокислот в пище приводит к различным заболеваниям.
Клубни картофеля являются важным источником многих витаминов. Например, при потреблении 200...300 г. свежего раннего картофеля в варёном виде организм человека получает почти суточную норму витамина С. Клубни богаты витамином В, предохраняющим от заболеваний кровеносную и нервную систему человека, а также витаминами А (каротин), РР и К, способствующими правильному развитию нашего организма. [30]
В клубнях содержатся минеральные соли кальция, железа, йода, серы и других веществ, которые также необходимы для человека, особенно при малокровии, заболевании щитовидной железы, гастритах и язвенной болезни.
Большое значение имеет картофель как сырьё для спиртовой и крахма-ло-паточной промышленности. Крахмал, получаемый из картофеля, широко применяется в текстильной, кондитерской промышленности, в колбасном производстве и во многих других отраслях пищевой промышленности.
При современной технологии из 1 т. клубней картофеля при содержании 17,5% крахмала получают 170 кг. крахмала или 112 л. спирта. Спирт из картофеля до сих пор незаменим в фармацевтической, парфюмерной и
15 ликёро-водочной промышленностях.
Велико значение картофеля и как кормовой культуры, особенно для молочного скота, свиней и птицы. На корм используют не только клубни, но и картофельную ботву. При перевариваемости органического вещества картофель, как и корнеплоды, стоит на первом месте среди всех растительных кормов.
Актуальность исследований.
Разнообразие почвенно-климатических условий, в которых возделы-вается картофель, обусловило разработку значительного числа систем и технологий. Отечественные технологии базируются на применении пассивных рабочих органов на уходе за культурой и отличаются шириной междурядий (70 см, 90 см, 110+30 см и т.д.). Расширение междурядий вызвано необходимостью создания благоприятных условий для развития растений, в частности, в связи с применением энергонасыщенных тракторов. В последние годы в зарубежных технологиях применяются фрезерные рабочие органы для обработки почвы и ухода за посадками. Эффективность технологий основана на поддержании почвы в мелкоструктурном состоянии в течение всего периода вегетации. [81]
Одним из направлений отрасли картофелеводства в настоящее время является возделывание картофеля по ресурсосберегающим технологиям с использованием современного парка машин для выполнения различных технологических операций. На данный момент широкое распространение получила система гребневого выращивания картофеля. [25]
В настоящее время возделывать картофель выгоднее по сравнению с зерновыми культурами, так как его урожайность с одного гектар при правильной агротехнике возделывания в 8-10 раз выше, а стоимость одного килограмма зерна и картофеля практически одинакова. По данным института картофельного хозяйства национальной академии наук Беларуси эффективность производства картофеля выше зерновых в 5-6 раз. [36]
Решением проблемы получения высоких урожаев картофеля с сохране-
ниєм качественных показателей занимались Хлевной Б.Ф., Пшеченков К.А., Писарев Б.А., Рябченко И.К., Явтушенко Е.В., Кушнарёв А.С., Якубаускас В.И., Синякова Л.А., Васько В.Т., Замотаев А.И., Литун Б.П., Коршунов А.В. и многие другие. Большое количество работ было связано с решением вопросов, связанных с проблемами механизации и качественной обработки почвы при возделывании картофеля. Данным вопросом занимались: Гилыптейн П.М., Яцук Е.П., Панов И.М., Кушнарёв А.С., Канарев Ф.М., Беляев Е.А., Матяшин Ю.И., Гринчук И.М., Егоров Г.М., Синеоков Г.Н., Петров Г.Д., Сорокин А.А., Колчин Н.Н., Угланов М.Б., Верещагин Н.И. и др.
Часть результатов трудов вышеперечисленных учёных отражены в следующих работах: [15,29,30,35,75,81-84,86,92,107,108].
Из всего вышесказанного следует, что картофель не может быть пока заменён никакой другой культурой, полученной естественным или искусственным путём. Роль картофеля не преувеличена. Он был, есть и будет одной из самых ценных продовольственных и кормовых культур, возделываемых человеком.
Целью работы является повышение эффективности возделывания картофеля путем разработка технологических и технических решений по созданию машины, обеспечивающей энерго- и материалосберегающие показатели качества работы при выполнении технологического процесса до посадочной обработки почвы с внесением основной дозы твердых минеральных удобрений при возделывании картофеля гребневым способом.
Задачи исследований:
разработать технологию внутрипочвенного внесения основных доз твёрдых минеральных удобрений в гребень;
разработать конструктивно-технологическую схему машины для нарезки гребней с внесением в них основных доз твёрдых минеральных удобрений;
- теоретически обосновать конструктивно-кинематические параметры и
режимы работы активного рабочего органа машины гребнеобразователя-удобрителя;
- по результатам исследований создать образец машины;
-провести экспериментальные исследования и хозяйственные испытания с целью уточнения технологических параметров машины гребнеобразо-вателя-удобрителя;
-определить экономическую эффективность работы машины с осуществлением внедрения.
Методика исследований
При выполнении диссертационной работы проводились теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях; осуществлялись наблюдения за процессом выращивания растений картофеля; изучались и анализировались применяемые технологии возделывания картофеля в России и за рубежом, а также комплекс машин, используемых при: выполнении различных технологических операций, в частности, машин для подготовки почвы, внесения удобрений и ухода за посадками.
В целом, программой исследований предусматривается: проведение теоретических исследований технологий внесения основной дозы твердых минеральных удобрений локально в гребень и заделывающих рабочих органов; разработка методики оценки показателей качества работы машин для внесения и заделки твердых минеральных удобрений с применением методик планирования эксперимента; выбор и подготовка приборов и оборудования; проведение экспериментальных исследований; проведение вероятностно-статистической оценки полученных результатов работы; оценка надежности и качества заделки туков в гребень, экономической эффективности, прибыльности, а также выполнение работ по испытанию и внедрению технологии и машины для обработки почвы с внесением основной дозы твердых минеральных удобрений при возделывании картофеля гребневым способом.
18 Основными полученными научными результатами являются:
разработанная конструктивно-технологическая схема машины для нарезки гребней с внесением в них основных доз твёрдых минеральных удобрений;
предлагаемый способ внесения и заделки основных доз твёрдых минеральных удобрений в гребень;
предлагаемый активный рабочий орган почвообрабатывающей фрезы (свидетельство на полезную модель № 33839 (прил.А));
-теоретически обоснованные конструктивно-кинематические параметры и режимы работы активного рабочего органа машины гребнеобразовате-ля-удобрителя;
- результаты исследования рабочего процесса машины в лабораторных
и производственных условиях.
Практическая ценность и реализация результатов исследований
Народнохозяйственное значение данной работы заключается в повышении качества обработки средних и тяжёлых по механическому составу типов почв при значительном снижении энергетических, материальных и трудовых затрат; снижении количества вносимых твердых минеральных удобрений в два раза с одновременным увеличением качества их заделки в гряды; повышении урожайности выращенного картофеля.
На защиту выносятся:
технология возделывания картофеля с использованием машины для подготовки почвы с одновременным внесением основной дозы твердых минеральных удобрений (нарезка гребней, окучивание, подкормка).
конструктивно-технологическая схема машины для нарезки гребней с одновременным внесением основной дозы твёрдых минеральных удобрений при возделывании картофеля;
конструкция активного рабочего органа почвообрабатывающей фрезы;
аналитические выражения для определения конструктивных параметров лезвия ножа и энергетических показателей машины;
результаты исследований в лабораторных и производственных условиях;
-технико-экономические показатели эффективности применения предлагаемого активного рабочего органа и машины в целом.
Обоснованность и достоверность полученных результатов
Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований, с применением вероятностно-статистических методов, системного анализа и оценок по экономическим показателям, усовершенствованной технологии и машины гребнеобразователя-удобрителя для рыхления почвы и внесения основных доз твердых минеральных удобрений с нарезкой высокообъёмных гребней при возделывании картофеля показывает сходимость теоретических результатов с данными экспериментальных исследований и практического применения в хозяйстве ОПХ "Ильинское", Домодедовского района, Московской области.
Автор выражает огромную благодарность за помощь в подготовке диссертационной работы сотрудникам Рязанской Государственной Сельскохозяйственной Академии: Некрашевичу В.Ф., Угланову М.Б., Пащенко М.Н. и др., сотрудникам научно-исследовательского института ГНУ ВНИМС: Макарову В.А., Евстропову А.С., Салынскому В.Ф., Крутову Д.Е.
