Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, цель и задачи исследований 7
1.1. Приемы и орудия для глубокого рыхления и щелевания почвы... 8
1.2. Агрономическая эффективность глубокого рыхления и щелевания почвы 22
1.3. Анализ работ по исследованию устойчивости движения и выбору параметров МТА для глубокого рыхления и щелевания почвы 27
1.4. Цель и задачи исследования 32
Глава 2. Теоретические исследования устойчивости движения машинно-тракторного агрегата с глубокорыхлителем 34
2.1. Выбор расчетной модели агрегата 34
2.2. Выбор систем отсчета и обобщенных координат 37
2.3. Уравнение движения орудия в продольно-вертикальной плоскости 41
2.3.1. Определение кинетической энергии орудия 44
2.3.2. Определение потенциальной энергии орудия 47
2.3.3. Определение энергии диссипации 49
2.3.4. Определение обобщенных сил 50
2.3.5. Дифференциальное уравнение движения орудия в продольно-вертикальной плоскости 53
2.3.6. Вынужденные колебания орудия 56
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 61
3.1. Программа исследований 61
3.2. Методика агротехнической оценки 62
3.3. Методика определения устойчивости движения орудия в продольно-вертикальной плоскости 67
3.4. Объекты исследования 67
3.5. Применяемые приборы и оборудование 69
3.6. Методика энергетической и силовой оценки МТА 72
3.7. Обработка результатов измерений 79
3.8. Статистические оценки показателей качества работы МТА с
глубокорьшгателем 81
Глава 4. Анализ агротехнических и силовых показателей работы глубокорыхл ител я-щелереза 84
4.1. Условия проведения полевых опытов 84
4.2. Агротехнические показатели работы глубокорыхлителя-щелереза 85
4.3. Силовые и энергетические показатели глубокорыхлителя 95
Глава 5. Анализ устойчивости движения глубокорыхлителя в продольно-вертикальной плоскости 101
5.1. Затухающие колебания глубокорыхлителя 101
5.2. Вынужденные колебания глубокорыхлителя 111
Глава 6. Агротехническая и экономическая эффективность применения модернизированного глубокорыхлителя 114
6.1. Агротехнологическая эффективность 114
6.2. Агротехническая эффективность 120
6.3. Экономическая эффективность модернизированного глубокорыхлителя ГРНА-3 122
Основные выводы и рекомендации 124
Список литературы 127
Приложения 135
- Приемы и орудия для глубокого рыхления и щелевания почвы...
- Уравнение движения орудия в продольно-вертикальной плоскости
- Методика определения устойчивости движения орудия в продольно-вертикальной плоскости
- Агротехнические показатели работы глубокорыхлителя-щелереза
Введение к работе
Для увеличения производства продукции и повышения производительности труда в сельском хозяйстве последние годы практически повсеместно стали применять интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур, основанные на многократных проходах все более мощной и тяжелой техники. Использование таких мощных тракторов, как Т-150, Т-150К, Т-4А, Т-130, К-701 с широкозахватными машинами приводит к распылению верхнего и уплотнению нижнего слоев почвы, к развитию ветровой и водной эрозии, к повышению твердости и объемной массы почвы пахотного горизонта, снижению общей и капиллярной пористости плодородного слоя почвы. Повышение объемной массы и твердости почвы ведет к ухудшению ее аэрации, подавлению жизнедеятельности микрофлоры и в конечном результате, к снижению плодородия и недобору урожая сельскохозяйственных культур.
Во время сельскохозяйственных работ ходовые системы машинно-тракторных агрегатов (МТА) покрывают следами от 40 до 80% поверхности поля, а поворотные полосы подвергаются 8-Ю кратному воздействию движителей.
Негативное влияние антропогенных факторов на плодородие почвы усиливается при применении тяжелой мобильной техники для внесения минеральных удобрений и химических средств уничтожения сорняков и вредителей сельскохозяйственных культур. Кроме того, широкое использование отвальных плугов и плоскорезов ведет к образованию так называемой «плужной подошвы» - уплотненной почвенной прослойки, которая препятствует движению влаги в нижние горизонты почвы и испарению излишков влаги. Это приводит к развитию водной эрозии на склонах, а на равнинах и в низинах - к образованию мокрых «блюдец», в которых застаиваются излишки талой и дождевой воды.
5.
Все перечисленные негативные факторы привели к деградации плодородного слоя почвы, развитию и расширению ареала эрозионных процессов. Особенно опасна водная эрозия, которая не так заметна, как ветровая, но ежегодно талые и дождевые воды путем струйчатого размыва плодородного слоя склоновых земель наносят громадный вред сельскому хозяйству. А так как в России до 50% сельскохозяйственных угодий находятся на склонах, то проблема борьбы с водной эрозией имеет важное хозяйственное значение.
Наиболее эффективным агротехническим приемом предотвращения водной эрозии, а также для борьбы с переуплотнением пахотного и подпахотного горизонтов почвы, уничтожения «плужной подошвы» являются чизелевание, щелевание и глубокое рыхление. Особенно эффективно сплошное или полосное рыхление и щелевание на склоновых землях, когда удается перевести поверхностный сток талых и ливневых вод во внутрипочвенный и предотвратить смыв верхнего плодородного слоя почвы. Однако работа глубокорыхлительно-щелерезных агрегатов на склоновых землях изучена совершенно недостаточно ни в агрономическом, ни в техническом планах. При движении поперек склона машинно-тракторный агрегат (МТА) теряет устойчивость хода и нарушается качество работы. До настоящего времени не выявлены все факторы, влияющие на устойчивость таких агрегатов на склонах разной крутизны, не обоснованы требования к конструкциям и рабочим органам глубокорыхлителей и щелевателей. Поэтому в данной диссертации исследованы параметры и режимы работы рыхлительно-щелерезного агрегата, обеспечивающие устойчивость его движения и стабильность выполнения технологического процесса.
Изучение устойчивости движения МТА основано на принципах теории устойчивости A.M. Ляпунова и на учении об устойчивости движения сельскохозяйственных машин академика В.П. Горячкина, которое развито в работах его учеников и последователей.
6.
Работы по оценке качественных и эксплуатационных показателей надежности выполнения технологического процесса работы МТА пока еще малочисленны. Некоторым вопросам оценки стабильности технологического процесса почвообрабатывающих МТА посвящены труды Л.Е. Агеева, Ю.К. Киртбая, Ф.И. Гаврилова, Д.Н. Саакяна, А.Б. Лурье, А.И. Любимова.
Работа выполнена в отделе почвообрабатывающих и посевных машин ОАО «ВИСХОМ».
Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам отдела почвообрабатывающих и посевных машин ОАО «ВИСХОМ» и Кокшетауского Университета за помощь и содействие при проведении настоящей работы.
7.
Приемы и орудия для глубокого рыхления и щелевания почвы...
С интенсификацией полевых процессов сельскохозяйственного производства возникла проблема уплотняющего воздействия на почву машинно-тракторных агрегатов (МТА). Многократные проходы по полю тракторов, различных комбайнов и другой мобильной техники привели к распылению верхнего и уплотнению нижнего слоев почвы, что отрицательно повлияло на плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур. Увеличение массы тракторов и сельскохозяйственных машин приводит к уплотнению не только пахотного, но и подпахотного горизонтов почвы. В результате уплотнения почвы усиливаются эрозионные процессы, увеличивается ее объемная масса, сопротивление почвы при обработке повышается в 1,3-1,9 раза, снижается общая и капиллярная пористость плодородного слоя. Повышение плотности и твердости почвы ведет к снижению жизнедеятельности почвенной микрофлоры и, в конечном результате, недобору урожая на 20-40% [22,31, 33].
Неумеренное применение отвальных плугов и плоскорезов ведет к образованию так называемой «плужной подошвы», которая препятствует движению выпавших осадков в нижние слои и испарению излишков влаги из нижних горизонтов. Это приводит к развитию водной эрозии на склоновых землях, а на равнинах и низинах - к образованию мокрых «блюдец», в которых застаиваются талые и дождевые воды.
Все перечисленные негативные факторы привели к деградации плодородного слоя почвы и расширению ареала эрозионных процессов [32]. Особенно опасна водная эрозия, которая не так заметна, как ветровая, но ежегодно талые и дождевые воды путем струйчатого размыва плодородного слоя наносят громадный вред сельскому хозяйству.
Негативное воздействие на почву интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур проявляется, прежде всего, на эрозионно-опасных склонах крутизной более 3. Из-за малой инфильтрационной способности уплотненных почв на склоновых землях интенсивно развивается водная эрозия, талые и дождевые воды смывают со склонов верхний плодородный слой вместе с удобрениями, загрязняя водоемы продуктами химизации. На равнинных участках талые воды продолжительно застаиваются в понижениях «блюдцах», что приводит к затягиванию сроков начала полевых работ и вымоканию посевов.
Общие площади сельскохозяйственных угодий, расположенных на склонах, составляют в России почти 50% от всех посевных площадей. В Нечерноземной зоне РФ поля крутизной более 3 составляют 70% [16]. В России водной эрозии подвержено почти 45% пахотных земель [51]. Негативные последствия интенсивных систем земледелия наносят вред не только плодородному слою почвы, но и всей окружающей среде из-за загрязнения водоемов и низких мест смытой почвой вместе с токсичными веществами в виде остатков минеральных удобрений, пестицидов и гербицидов. Водная эрозия является главной причиной потерь гумуса почвы. За последние 15-20 лет содержание гумуса в почве снизилось на 8...30%, в том числе в РФ на 20% [2, 3]. В результате действия эрозионных процессов в России площадь эродированных земель ежегодно возрастает на 400...500 тыс. га, десятки тысяч гектар пахотных площадей разрушаются оврагами, средняя скорость роста которых составляет 1...1,5 м в год [51]. Эрозия и деградация пахотного горизонта почвы снижают продуктивность сельскохозяйственных угодий. Недобор урожая на эродированных землях доходит до 30%. Вследствие увеличения массы мобильной техники плотность почвы увеличилась за последние 20-25 лет в 1,5...2 раза, а глубина уплотненного слоя достигает 1...1,5 м [33].
Из приведенных данных следует, что все современные технологии обработки почвы не отвечают современным требованиям и нуждаются в коренной модернизации.
Борьбу с уплотнением почвы проводят по трем направлениям: снижением уплотнения почвы, разуплотнением уплотненной почвы и предотвращением уплотнения почвы.
По первому направлению ведутся работы по совершенствованию ходовой системы энергетических и транспортных агрегатов, снижению их массы, применению широкозахватных и комбинированных машин. Одним из перспективных направлений является использование технологической колеи при возделывании сельскохозяйственных культур, когда все мобильные технологические и транспортные машины перемещаются по полю по постоянной колее.
Способов предотвращения уплотнения почв пока еще разработано недостаточно. В определенной мере к этому направлению может быть отнесена технология «нулевой» обработки почвы, а также предложения по использованию машин на воздушной подушке и мостовое земледелие. Однако для практического использования двух последних способов требуется проведение длительных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Уравнение движения орудия в продольно-вертикальной плоскости
На рис. 2.4 показана расчетная схема глубокорыхлителя. На схеме обозначены следующие внешние силы, действующие на орудие: Р р и Р р -горизонтальная и вертикальная составляющие суммарного сопротивления почвы на рабочих органах, приведенные к среднему рабочему органу; Рр, Pjj, Рпр, Рд - горизонтальные и вертикальные составляющие сопротивления почвы на крайне правом и крайне левом рабочих органах орудия; РПР, Р л, Р% пр Pg л - горизонтальные и вертикальные составляющие реакции почвы на опорные колеса орудия; G - сила тяжести орудия.
Заданными, как правило, являются сила тяжести орудия G и результирующая проекций на плоскость XZ элементарных сил сопротивления почвы Pxz- Для определения реакций почвы на опорные колеса, а также (при необходимости) силы NJJ, Nn и S, действующие в нижних и верхнем звеньях механизма навески пользуются графо-аналитическим методом, разработанным Г.Н. Синеоковым [73]. Порядок построения многоугольника сил показан на схеме рис. 2.5. Навесное орудие в продольно-вертикальной плоскости находится в статическом равновесии, если равнодействующая Р всех сил сопротивления и силы тяжести орудия проходит через мгновенный центр вращения л" навесного устройства. Направление реакции почвы на опорном колесе Рк определяется Рх коэффициентом перекатывания // = -—-, который для плотных почв равен 0,15, а для рыхлых 0,2 [73].
Пространственную систему сил, действующих на орудие, приведем к главному вектору R и главному моменту М относительно точки приведения. Модули R и Ы выразятся [42]:
При плоскопараллельном движении орудия его кинетическая энергия определяется по уравнению [35] Т = + , (2.9) 2 2 v где m - масса орудия; J- момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс; v0 - скорость центра масс; о- угловая скорость звена приведения.
В уравнении (2.9) первое слагаемое представляет собой кинетическую энергию в поступательном движении орудия, а второе слагаемое -кинетическую энергию во вращательном движении орудия.
Кинетическую энергию орудия можно выразить также через приведенную массу или приведенный момент инерции: Т = ; (2.10) или Г = м., (2.11) где тп - приведенная масса орудия; Ум - скорость точки приведения; Jn -приведенный момент инерции орудия относительно оси, совпадающей с осью вращения (колебания) орудия; &м- угловая скорость звена приведения.
Приравняв сначала кинетическую энергию точки приведения, а затем звена приведения величине кинетической энергии всего орудия, после преобразований получим [35] где Vo, и ffib, - поступательная и угловая скорости центра масс орудия; J -момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс орудия. Из уравнения (2.12) следует, что тц представляет собой некоторую условную массу, сосредоточенную в точке М, кинетическая энергия которой равна в каждый рассматриваемый момент времени кинетической энергии всего орудия. То же самое относится и к Jn.
Из уравнений (2.12) и (2.13) следует, что приведенная масса и приведенный момент инерции связаны равенством тиугм = Jna)2M.
Выразим скорость точки М через обобщенную координату у/. В общем случае абсолютная скорость точки Мравна [41]
Методика определения устойчивости движения орудия в продольно-вертикальной плоскости
Варианты опытов включали работу орудия на установочной глубине 0,4; 0,5 и 0,6 м при различной ширине захвата (числе рабочих органов 1,2 и 3).
Все варианты по глубине обработки и числу рабочих органов повторялись на трех передачах трактора в диапазоне скорости движения 5..,9 км/ч и не менее трех углов склона в диапазоне 1... 15. Междуследие менялось в пределах 0,6...0,7 м и 1,2 м (последнее при щелевании).
При исследовании устойчивости движения орудия в продольно-вертикальной плоскости производились замеры: 1. тягового сопротивления орудия; 2. колебания орудия относительно трактора в продольно-вертикальной плоскости. 3. горизонтальная и вертикальная реакции почвы на опорных колесах. 3.4. Объекты исследования
Экспериментальные исследования в полевых условиях проводились с МТА в составе трактора ДТ-75С и макетного образца навесного глубокорыхлителя-щелевателя (рис. 3.4).
Орудие имеет двухбрусную сварную раму, установленную на двух опорных металлических колесах с механизмом регулировки глубины рыхления. Рама позволяет устанавливать на ней от одного до трех рыхлительных рабочих органов с регулируемым междуследием. На раме также могут устанавливаться перед каждым рабочим органом дисковые ножи с шарнирной осью. Эти же дисковые ножи могут быть жестко зафиксированы на своих кронштейнах и использоваться в этом случае как стабилизаторы.
Конструктивная схема глубокорыхлителя щелевателя показана на рис. 3.5.
Для измерения вертикальных и горизонтальных реакций на опорных колесах орудия использовались оси колес, на которые вдоль их продольных осей наклеивались тензодатчики, воспринимающие деформации изгиба в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для датчиков на оси делались цилиндрические выточки, на которые в двух взаимно перпендикулярных . плоскостях наклеивались четыре датчика, попарно включаемые в две самостоятельные мостовые схемы.
Для замера горизонтальных и вертикальных отклонений нижних тяг механизма навески использованы реохордные датчики (типа СПУ-0,5) с линейной характеристикой.
В каждый канал для замера отклонений нижних тяг входили два датчика, один из которых служил для замера собственно отклонений и его скользящий контакт связан с нижними тягами навески, а другой выведен на пульт управления и служил для установки нулевой линии отсчета перед каждым опытом.
Сопротивление на рыхлительных рабочих органах орудия определялись по крюковой мощности или непосредственным замером через тензозвенья, установленные в тягах навески или через специальную тензометрическую рамку, позволяющую замерять вертикальные и горизонтальные составляющие сопротивления рыхлительных лап.
Силовые характеристики рыхлительных рабочих органов определялись индивидуально для каждой рыхлительной стойки с помощью тензометрической установки [78].
Все тензодатчики были соединены по полумостовой схеме. Сигналы от тензодатчиков после усиления усилителем 14 через пульт управления 15 поступали на магнитограф 16 (см. рис. 3.6).
На магнитограф записывались также частоты вращения вала двигателя (или ВОМ), ведущих звездочек трактора и путеизмерительного колеса. Электропитание усилителя осуществлялось от автономного источника (со стабилизатором напряжения). Для электропитания магнитографа использовались аккумуляторные батареи.
Для исключения помех и защиты от влаги монтаж электросхем выполнялся с помощью экранированных проводов.
Агротехнические показатели работы глубокорыхлителя-щелереза
Агротехнические и энергетические показатели работы глубокорыхлителя определялись при оснащении орудия рабочими органами с прямой стойкой, с углом наклона 70, с плоским долотом шириной 70 мм, угол установки долота составлял 30 (рис. 4.1).
На рис. 4.2 показан вид поля после прохода глубокорыхлителя на участке с уклоном 5, при глубине рыхления 0,6 м и расстановке рабочих органов на междуследие 1,0 м, т.е. при исключении взаимного влияния рыхлительных стоек (блокированное резание). Рис.4.1. Экспериментальный рабочий орган глубокорыхлителя На рис. 4.3 показан фрагмент следа прохода рыхлительной стойки при глубине обработки 0,6 м.
Наиболее важными показателями работы глубокорыхлителя являются равномерность глубины обработки и ширины захвата. Оба эти показателя тесно связаны с устойчивостью хода орудия, особенно на пересеченной местности.
В табл. 1 приложения 1 приведены статистические оценки показателей глубины хода и ширины захвата при работе на склонах различной крутизны: сс=0,5, 10 и 15. Из этих данных следует, что глубина хода рыхлительных стоек расположенных ниже по склону больше, чем глубина хода стоек, расположенных выше по склону. Более глубокое погружение нижних стоек объясняется тем, что на нижние стойки приходится большее давление от массы орудия. Разница в глубине хода верхних и нижних по склону стоек может достигать значительной величины. Так, коэффициент неравномерности (см. уравнение (3.3)) изменяется от 5 до 20% (рис. 4.6).
Из табл. 1 приложения 1 видно, что математическое ожидание глубины хода рыхлительных стоек значительно отличается от установочной глубины. Это связано с колебательным движением орудия и его перекосом. С увеличением скорости движения средняя глубина также несколько уменьшается, т.к. увеличивается горизонтальная составляющая сил сопротивления почвы на рабочих органах, а, следовательно, и увеличивается выглубляющий момент орудия.
Устойчивость хода орудия по глубине обработки достаточно полно оценивается коэффициентом вариации, который достигает значительных величин 12-17%, что свидетельствует о широком диапазоне разброса этого показателя.
В некоторых опытах коэффициент вариации выходит за пределы агротехнического допуска на глубину обработки, который согласно агротехническим требованиям (АТТ) не должен превышать ±10% от установочной глубины [71]. Используя положения теории вероятностей [53, 60] определим на какой части общей обработанной площади нарушаются АТТ, т.е. какова доля брака.
Статистическая обработка первичных данных показала, что случайная величина глубины обработки имеет нормальный закон распределения со следующими статистическими параметрами для различной крутизны склонов: а=0: mf= 0,58 м; съ=0,005 м; а=5: тх= 0,60 м; Сд=0,007 м; а=10: тг= 0,58 м; аг=0,0065 м; а=15: mjT 0,55 м; ах=0,006 м.
При установочной глубине обработки равной 0,6 м и при допуске ±10% определим вероятность нахождения глубины обработки в пределах АТТ, т.е. 1=0,66 м их2=0,54 м.
Похожие диссертации на Устойчивость и стабильность работы глубокорыхлителя-щелереза на склонах, подверженных водной эрозии
