Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Роль и место темы в решении проблем восстановления природоресурсного комплекса и охраны окружающей среды 10
1.1 Состояние орошаемых земель страны и причины их деградации... 13
1.2 Экосферные и биоценотические требования к фитомелиорации бывших орошаемых земель растениями солодки голой и солодки уральской 24
1.3 Фитомелиорирующие возможности солодки 35
1.3.1 Народнохозяйственная значимость солодки 35
1.3.2 Эколого - биологические особенности солодки 38
1.3.2.1 Систематика, морфологические и экологические особенности солодки 38
1.3.2.2 Морфологические особенности солодки голой Glycyrrhiza glabra L. и солодки уральской G. uralensis Fisch 39
Выводы по первой главе 47
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование основных параметров рабочего органа устройства для удаления нетоварных частей с корней и корневищ солодки голой 48
2.1 Обоснование выбора конструкции режущего элемента ножевого барабана 48
2.2 Определение кинематического параметра ножевого барабана устройства для удаления карабаша 52
2.3 Выбор геометрических параметров рабочего органа 55
2.3.1 Условие равномерности фрезерования приповерхностного слоя почвы 58
2.3.2 Условие свободного резания корней солодки полкой ножа фрезбарабана 60
2.4 Обоснование количества ножей в секции и частоты вращения ножевого барабана при послойном фрезеровании почвы и резания корней солодки 61
2.5 Определение кинематического параметра ножевого барабана для послойного фрезерования растительного покрова солодовников 63
2.6 Эквивалентная динамическая система перемещения карабаша и почвы по полке ножа и ее математическая модель 64
2.6.1 Условие центробежной разгрузки ножей фрезбарабана при взаимодействии с верхним слоем дернины 65
2.6.2 Анализ величины относительной скорости движения почвы по полке ножа 67
2.6.3 Определение времени нахождения карабаша и комков почвы на полке ножа 73
2.7 Расчет мощности, потребляемой устройством для удаления нетоварных частей с корней солодки, производящим послойное фрезерование почвы и дернины 77
2.8 Определение толщины стружки 81
Выводы по второй главе 84
ГЛАВА 3. Программа, методика и условия проведения экспериментальных исследований 85
3.1 Программа и методика экспериментальных исследований 85
3.2 Последовательность и техника проведения экспериментов 91
3.2.1 Исследования по определению энергоемкости ножевого барабана при использовании разных типов режущих элементов 91
3.2.2 Оптимизация режимов работы устройства для удаления нетоварных частей с корней солодки 94
3.2.3 Агрегаты, машины, орудия, приборы и аппаратура, применявшиеся в экспериментальных исследованиях 99
3.3 Программа и условия проведения полевого опыта 104
3.4 Методика выполнения полевых исследований 116
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 120
4.1 Влияние конструкций режущих элементов ножевых барабанов на энергоемкость процесса резания корней солодки и фрезерования верхнего слоя дернины 120
4.2 Оптимизация режимов работы машины для удаления нетоварных частей с корней солодки 137
4.3 Эффективность технологии фитомелиорации деградированных орошаемых почв растениями солодки голой 142
4.4 Продуктивность солодково - разнотравной ассоциации в культуре и
в дикорастущих зарослях в степной зоне 149
Выводы по четвертой главе 153
ГЛАВА 5. Оценка кормовых достоинств вегетативных побегов солодки голой 156
5.1 Химический состав и содержание основных питательных веществ в вегетативной массе солодки голой степного экотипа на мелиорируемом участке 156
5.2 Аминокислотный состав растений солодки голой и сопутствующих трав на опытном участке 179
5.3 Содержание нитратов в вегетативных частях солодки голой при возделывании на плантации в качестве фитомелиорирующей культуры 187
5.4 Содержание кормовых единиц и переваримого протеина в солодково - мятликовых травосмесях на мелиорируемом (опытном) и контрольном (залежь) участках 191
5.5 Экономическая эффективность технологии фитомелиорации деградированных орошаемых земель с использованием разработанной машины УДК-2,0 198
Выводы по пятой главе 200
Общие выводы 203
Предложения производству 207
Литература 208
Приложения 234
- Экосферные и биоценотические требования к фитомелиорации бывших орошаемых земель растениями солодки голой и солодки уральской
- Определение кинематического параметра ножевого барабана устройства для удаления карабаша
- Последовательность и техника проведения экспериментов
- Оптимизация режимов работы машины для удаления нетоварных частей с корней солодки
Введение к работе
Актуальность исследований. За последнее десятилетие (1995 - 2005 гг.) площади мелиорируемых земель в России сократились с 11,27 до 9,10 млн. га. Площадь орошаемых земель с 6,1 уменьшилась до 4,4 млн. га или на 27 %. Наибольшая площадь неблагоприятных по мелиоративному состоянию орошаемых земель приходится на Северо-Кавказский, Поволжский, Дальневосточный и Восточно-Сибирский регионы. На начало 2005 г. в Волгоградской области бросовые орошаемые земли составили 31916 га, а количество деградированных земель превысило 45148 га. Ежегодно в области из-под орошения выводится до 6,0 тысяч гектаров пашни. В фитомелиорации нуждаются более 400 тысяч га только в Волгоградской и Астраханской областях. В последние годы наблюдается увеличение неиспользуемых площадей старопахотных орошаемых земель. Высокая степень их экологической дестабилизации, отсутствие материальных и денежных средств на их восстановление определяют наиболее реальный путь возвращения в активный хозяйственный оборот - фитомелиорацию.
Поэтому необходимо скорейшее проведение комплекса мелиоративных мероприятий по восстановлению продуктивности бросовых пахотных земель, и в первую очередь, с использованием в качестве фитомелиоранта растений солодки голой. Однако в настоящее время практически отсутствуют комплексные технологии и эффективные технические средства для выполнения работ по заготовке черенков из корневищ солодки для фитомелиорации деградированных земель в Нижнем Поволжье.
Таким образом, актуальными задачами в проведении фитомелиорации деградированных земель являются разработка и внедрение новых комплексных технологий для проведения фитомелиоративных работ, создание и разработка технических средств заготовки посадочного материала из корневищ солодки.
Решение этих вопросов позволит создать устойчивые растительные сообщества на деградированных орошаемых землях, снизить уровень и
5 минерализацию грунтовых вод, восстановить плодородие почвы и улучшить
экологическую обстановку.
Актуальность исследований подтверждается выполнением их в соответствии с НТП РАСХН «Мелиорация и водное хозяйство» (1996 - 2000 гг.) и ГНТП «Перспективные процессы производства сельскохозяйственной продукции» Миннауки РФ (2001 - 2005 гг.).
Цель исследований - совершенствование технологии фитомелиорации деградированных земель в условиях Нижнего Поволжья с использованием посадочного материала из корневищ солодки, заготовленного специально разработанными техническими средствами.
В соответствии с поставленной целью предусматривалось решение следующих задач:
- выполнить анализ современного состояния орошаемых земель и
объемов рекультивации деградированных почв растениями -
фитомелиорантами;
- определить ареал, продуктивность и особенности биологии растений
солодки голой в условиях Нижнего Поволжья;
теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность использования растений солодки голой в качестве фитомелиоранта;
- разработать конструкцию машины для заготовки посадочного
материала из корней солодки с обоснованием основных параметров
технологического процесса;
определить экономическую эффективность технологии фитомелиорации деградированных, бывших орошаемых земель в том числе с использованием разработанной машины для заготовки посадочного материала солодки и дать практические рекомендации производству.
Объект исследований. Деградированные, бывшие орошаемые земли, технологии и технические средства для проведения работ по фитомелиорации земель.
Научная новизна. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность фитомелиорации деградированных, бывших орошаемых земель растениями солодки голой. На основании многолетних исследований, выполненных в многофакторных опытах, предложена технология фитомелиорации деградированных земель.
Впервые разработана экологически безопасная полосная технология заготовки посадочного материала из корневищ солодки в виде черенков. Разработаны основные теоретические положения, характеризующие процесс резания корней и корневищ солодки машиной УДК-2,0 с использованием ножевого барабана, производящего послойное фрезерование почвы. Установлены оптимальные параметры режущих элементов и ножевых барабанов машины при заготовке посадочного материала с корней солодки.
Новизна принятых решений и полученных результатов исследований подтверждена 11 авторскими свидетельствами СССР и 19 патентами РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
- комплексная ресурсосберегающая технология фитомелиорации
деградированных земель с высоким уровнем грунтовых вод;
- агромелиоративные параметры формирования фитоценозов солодки
голой с оценкой кормовых достоинств;
- теоретические положения, конструктивные и технологические
параметры, характеризующие процесс резания корневищ солодки машиной
УДК-2,0 с использованием ножевого барабана, производящего послойное
фрезерование верхнего слоя почвы.
Практическая значимость и реализация работы состоит в том, что на деградированных землях с высоким уровнем грунтовых вод созданы плантации солодки голой пойменного экотипа, обладающие наибольшим мелиорирующим потенциалом. Это позволит растениям солодки голой в течение 6...8 лет снизить уровень грунтовых вод до 2 ... 3 м, на 3-й и последующие годы создать прочную кормовую базу, возможно в сочетании многокомпонентных кормовых бобово-злаковых травосмесей с 80 ... 90 %
7 долевым участием солодки как бобовой компоненты. На 8-11 и последующие
годы жизни растений вести промышленную заготовку корневой массы с
продуктивностью свыше 10 т/га сырых кондиционных корней.
Производству рекомендованы технология создания плантаций солодки как фитомелиорирующей культуры, машины для уборки надземной массы растений солодки в качестве корма, добычи и уборки корневой массы солодки.
Полученные результаты исследований могут быть использованы проектными, конструкторскими и производственными организациями при мелиорации деградированных орошаемых земель и разработке специальных машин и орудий для внедрения технологий в производство.
Реализация результатов исследований осуществлялась:
включением Комитетом по сельскому хозяйству и продовольствию Администрации Волгоградской области в «Рекомендации по фитомелиорации бросовых и обесструктуренньгх орошаемых земель»;
внедрением технологии фитомелиорации деградированных земель в хозяйствах Волгоградской и Астраханской областей на площади около 400 га;
использованием НПК «Астраханская солодка» рекомендаций по технологии фитомелиорации деградированных земель с использованием солодки голой на площади 98 га;
публикацией статей, информационных листков, выступлениями с докладами на научно-производственных совещаниях, конференциях, семинарах.
Апробация работы: результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались на научно - практических конференциях ВНИИГиМ, ВНИИОЗ, НГМА, РосНИИПМ, Волгоградской ГСХА (1990 - 2007 гг.), на I международном симпозиуме «Особо охраняемые территории и формирование здорового образа жизни» (г. Волгоград, сентябрь 1997 года), международных научно-практических
8 конференциях «Проблемы научного обеспечения, экономической эффективности орошаемого земледелия в рыночных условиях» (посвященная 100 - летию со дня рождения М.Н. Багрова, ВГСХА, Волгоград, 2001 г.), «Экологические проблемы мелиорации» (посвященная 115 - летию со дня рождения А.Н. Костякова, г. Москва, 2002 г.), «Проблемы и перспективы мелиорации» (Новочеркасск, 2003 г.), «Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий» (Рязань, 2004 г.), Наукоемкие технологии в мелиорации (Костяковские чтения, Москва, ВНИИГиМ, 2005 г.), «Научно-производственное обеспечение развития сельского социума» (ПНИИАЗ, 2005 г.), на Ученых советах ВНИИАЛМИ, ВНИИОЗ (1995 - 2000 гг.), НТС Волгоградского комплексного отдела ГНУ ВНИИГиМ (2000 - 2006 гг.), НТС Администрации Астраханской и Волгоградской областей (1995 - 2004 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликовано в 52 работах, объем публикаций составляет 40,73 печ. л., из них лично автору принадлежит 35,73 печ. л. Новизна результатов исследований защищена 11 авторскими свидетельствами СССР и 19 патентами РФ (1254342, 1276928, 1597620, 1599692, 1605950, 1629779, 1629780, 1631346, 1640576, 1725087, 1783349, 2067800, 2078325, 2105280, 2116023, 2116718, 2118484, 2120725, 2122778, 2123250, 2123251, 2125360, 2141633, 2156556, 2168881, 2170001, 2179384,2179790,2189126,2252524).
Результаты научных исследований автора по фитомелиорации бросовых и обесструктуренных орошаемых земель Волгоградской области растениями солодки голой в 2000 г. отмечены дипломом и медалью Всероссийского выставочного центра.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 263 стр. компьютерного текста, содержит 47 рисунка, 57 таблиц, 16 приложений, состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству.
9 Библиография включает 247 наименования, в том числе 6 иностранных
авторов.
Доля личного участия автора в получении результатов исследования
составляет не менее 80 %.
Экосферные и биоценотические требования к фитомелиорации бывших орошаемых земель растениями солодки голой и солодки уральской
Наиболее распространенный вид производственной деятельности человека на Земле - сельскохозяйственный. Сельскохозяйственное влияние вызвало трансформацию целых природных зон Земли. В отличие от природных геосистем агроландшафты лишены саморегуляционных механизмов, так как основательно подорван их естественный энергетический баланс [38,43, 79, 80, 92,100,113,119,120].
При создании фитоценозов следует учитывать, что богатейшим природным ресурсом являются растительность и особенно леса, обладающие большим экономическим и экологическим потенциалом. Растительный покров Земли является одновременно и компонентом природной среды, и важнейшим звеном связи с человеком через трофические цепи и разнообразные влияния на него других составных частей биосферы. Вместе с тем растительный покров - одна из самых уязвимых частей биосферы. Деградация, уничтожение растительного покрова ведет к разрушению экосистем, опустыниванию, потере биопродуктивности территорий [54, 55, 56].
В 1949 г. академик ВАСХНИЛ В.Р. Вильяме предложил разделить Волго - Ахтубинскую пойму в поперечном профиле на три основных части: прирусловую, центральную и притеррасную. Это позволило значительно упростить классификацию и систематизацию сложных, постоянно изменяющихся экологических условий на всем поперечнике поймы рек Ахтуба и Волга. Данное положение не осталось незамеченным лесоводами. В 1969 г. А.Ф. Киреев представил первую полную сводку типов пойменных лесов Волгоградской области для каждой части поймы с учетом продолжительности ее поемности. В основу определения типа леса он положил коренную породу с доминирующим представителем травянистой растительности. Такого же направления в пойменной типологии придерживаются А.А. Матвеев, Г.М. Зозулин, Л.Д. Токарев и другие авторы. Однако в производстве эти работы не нашли применения, так как в них при обстоятельном изучении и выделении фитоценозов очень слабо учитывались лесорастительные условия почв, отличающиеся в пойме высокой динамичностью, на которую в первую очередь реагируют травянистые растения, а не древесные. Эти положения нами учитывались при создании фитоценозов, где преобладает солодка голая.
Под фитомелиорацией понимается улучшение деградированных орошаемых земель с помощью травянистой и древесной растительности [43, 56,92,110,113,119,120,121,178,200,201,216, 234,235].Фитомелиорация наряду с агролесомелиорацией должна охватывать вопросы улучшения природных условий естественными и искусственными защитными насаждениями. В связи с этим нами разработана новая идеология использования природных ресурсов Волгоградской области: создать фитолесоаграрные экосистемы с помощью лесонасаждений и травосеяния. При этом ставится задача остановить дефляцию почвы благодаря особенностям строения подземных органов солодковых насаждений, ими закрепить подвижные пески, сократить смыв и размыв почв по склонам оврагов.
Такой ландшафтный подход позволит создать экосистему с максимальным запасом прочности. Она будет способна гибко и эффективно перестраиваться в ответ на изменяющиеся условия. И хотя соотношение видов в ней может варьировать, в целом она будет более устойчива, чем сообщества с малым видовым разнообразием. На рис. 1.2 представлены чистые солодковые заросли в Волго - Ахтубинской пойме площадью более 50 тысяч га и продуктивностью корневой массы выше 60 т/га кондиционных корней [54,55,56,105,106,107,108,109,110]. Эта система устойчива и ее продуктивность мало изменяется от климата региона.
Решение задачи восстановления и окультуривания деградированных и бросовых орошаемых земель с ускоренным возвратом их в активный хозяйственный оборот базируется на следующих положениях. При подборе растения - мелиоранта для полного восстановления природных фитоценозов конкретного местообитания должны учитываться: экологическая амплитуда (эврибионтность) доминирующего вида в ассоциации; средообразующее воздействие доминирующего вида на среду. При создании и эксплуатации пойменных ассоциаций, исходя из представлений современной фитоценологии, должны выполняться принципы взаимного дополнения и замещения видов в сообществах: флуктуационная - взаимозамещение видов для поддержания урожайности кормов на уровне некоторого нижнего порога при изменении внешней среды; секцуссионная - плавная смена менее долголетних видов более долголетними; ярусная - предполагающая дифференцированное, а следовательно, наиболее эффективное использование ресурсов среды; функциональная - предполагающая такое сочетание растений, при котором, например, одни создают устойчивую дернину, предотвращая ветровую и водную эрозию почв, другие затеняют поверхность, предотвращая непроизводительное испарение влаги. Например, растения солодки обеспечивают, за счет их глубокопроницающих корней, снижение уровня минерализованных грунтовых вод и т.п. [104, 113, 119, 120, 122,124].
Таким образом, фитомелиоративные мероприятия по восстановлению и окультуриванию антропогенно нарушенного ландшафта и повышению производительности всех его составляющих базируются на выявление закономерностей смен формаций по напряженности экологических факторов, связанных с антропогенной деятельностью, на основе фитоценотической устойчивости отдельных типов сообществ растений, их продуктивности и регенеративной потенции.
При создании плантаций с возделыванием солодки на деградированных староорошаемых землях в учет принимается: возможность замещения (частичного) факторов среды; возможность имитаций необходимых факторов среды; наличие главенствующих факторов, нивелирующих влияние менее существенных [113,162,163].В 1999 г. нами проведены геоботанические исследования площадей и продуктивности естественных зарослей солодки голой Glycyrrhiza glabra L. степного экотипа в Волгоградской области [200, 205, 206, 207, 208, 210, 211, 212]. Эти сведения представлены в табл. 1.11. Фитомелиорирующей способностью обладают (см. табл. 1.12) не только настоящие солодки голая, уральская, Г.Г. Коржинского, шероховатая и вздутая, но и ложные солодки, многие их которых в народе называют «белухой». Предпочтение отдается настоящим солодкам рода Euglycrrihza Boiss. ex parte, т.к. имеют не только кормовую ценность, а как дорогостоящее и имеющие неограниченный рынок спроса - лакричное сырье [51]. Ареал солодки голой представлен на карте Волгоградской области (рис. 1.3) [120,122,123, 124,125, 214, 236,237].
Учитывая, что солодка голая является наиболее ценным с экономической точки зрения растением, а также обладает значительной эврибионтностью и средообразующим воздействием, улучшение экологического состояния деградированных орошаемых земель уместно проводить путем воссоздания естественных ассоциаций, в состав которых солодка голая входит в качестве доминанта, содомината или ассектатора (рис. 1.2,1.5 и 1.8).
Проведенный нами анализ составов естественных ассоциаций мезофильных (настоящих) лугов Волго - Ахтубинской поймы показывает, что солодка голая предпочитает ассоциироваться с такими видами, которые по факторам «Аллелопатия», «Почвенная влага», «Минеральное питание почвы» не являются для нее конкурентами. К ним относятся, прежде всего, мезофильные растения семейства мятликовых - кострец безостый, мятлик луговой, пырей ползучий, вейник наземный и др. [55, 104, 106,110, 119] (рис. 1.8 и 1.9).
Определение кинематического параметра ножевого барабана устройства для удаления карабаша
Траектория движения рабочего органа фрезы при вращении и поступательном движении описывается параметрическими уравнениями циклоиды (рис. 2.2): где Vn - скорость поступательного движения агрегата, м/с; t - время поворота рабочего органа на угол cot, с; со - угловая скорость барабана фрезы, с"1. На прилагаемых в главе рисунках cot отсчитывается от нижнего вертикального положения радиуса. При резании почвы траектории двух смежных ножей 1 с расчетным радиусом Rp, вращающихся в одной вертикальной плоскости, пересекаются на некоторой высоте от уровня расположения нижних точек циклоиды. В результате остаются гребешки необработанной почвы, высота h p которых зависит от технологических, кинематических и конструктивных параметров рабочего органа (рис. 2.2). Гребнистость дна борозды является одним из недостатков работы фрез. В агротехнических требованиях к машине УДК - 2,0 указано, что высота гребней не должна превышать (ОД ... 0,2) h [147], где h - глубина фрезерования. В то же время, от величины гребней hrp.p в значительной степени зависит основной кинематический параметр фрезы X. Здесь Я = Vo/ Vn, a Vo = Rk о - окружная скорость фрезы. Параметрически представленную функцию (2.2) с помощью формулы Тейлора можно заменить многочленами, являющимися более простыми функциями, не допуская при этом значимых погрешностей [227, 228, 229]. Исходя из заданных агротехническими требованиями условия соблюдения глубины обработки и допустимой высоты гребней Пгр.д., нами получена зависимость, позволяющая определить кинематический параметр, в том числе и для случая разноудаленных от оси вращения фрезбарабана расположения рабочих органов: Из анализа формулы (2.7) следует, что величина относительной ошибки при определении значения hjp.p по формуле (2.9) не превышает величины остаточного члена в формуле (2.3). Фактическая высота гребней зависит от физико - механических свойств почвы, твердости и плотности корней солодки и может оказаться меньше расчетной вследствие скалывания дернины [147, 231,232,233]. При послойном фрезеровании почвы основной задачей является обеспечение заданной глубины обработки, образование ровного дна и минимальной высоты шипов на косых срезах корней солодки. Для выполнения этих требований необходимо, чтобы в процессе обработки почвы рабочие органы при послойном фрезеровании периодически соприкасались с дном борозды.
Это можно обеспечить соответствующими режимами резания и геометрическими параметрами рабочего органа. Во время работы режущие кромки рабочего органа описывают поверхности резания, огибающая к которым будет поверхностью дна борозды. Огибающей однопараметрического семейства кривых ф (х; у; с) = О называется кривая, касающаяся в каждой своей точке одной из кривых семейства и каждым своим отрезком бесконечного множества кривых семейства [101]. Огибающая рассматриваемого семейства задается уравнениями: где S- подача на один нож, м; z - количество ножей, устанавливаемых на одной секции шириной b сек. (рис. 2.1); Р- параметр параболы, м"1; h - разница в длине двух смежных ножей, м; к - порядковый номер ножа на диске фрезы с радиусом установки RK, RK _ ь R -25 RK-З; хиу-текущие координаты в системе координатX 0 У, м. Полученное нами уравнение (2.13) определяет форму параболы с вертикальной осью симметрии, смещенную по оси ОХ относительно начала координат 0 на величину (z - к) S и по оси 0У - на величину (z - к) h . Для различных значений (z - к) можно получить различные траектории движения рабочих органов. Следовательно, уравнение (2.13) является уравнением однопараметрического семейства парабол, соответствующих траекториям Так как высота гребней hjpX в продольном сечении должна соответствовать агротехническим требованиям, примем, что значение координаты точки по оси ординат при пересечении касательной, к семейству параболических кривых, с траекторией того же ножа будет равна допустимой высоте гребней.
Подставив х из формулы (2.19) в выражение (2.17), получим: ApS При этом величина h = R - Rk-i должна обеспечить одинаковое качество измельчения почвы всеми ножами, т.е. отрезаемые почвенные частицы будут составлять один фракционный состав. Это условие выполняется при одинаковой подаче на все ножи, т.е. полученного уравнения (2.20) относительно разницы в длине двух смежных глубин h , необходимой для их независимого действия, осуществлялось методом итерации на персональном компьютере пользователя ПЭВМ, JBM с пакетом стандартных программ. При конкретных значениях кинематического параметра X, подачи S, числа ножей z и глубины обработки h определяется величина агродопусков на высоту шипов в косых срезах корнях солодки голой.
Последовательность и техника проведения экспериментов
Сравнительная оценка и выбор параметров ножей фрезы и режимов фрезерования проводилась из условий, обеспечивающих высокую степень крошения почвы при наименьших затратах энергии. Анализ литературных данных по кинематике и динамике процесса фрезерования почвы позволил установить, что его энергоемкость зависит от следующих факторов: поступательной скорости движения агрегата Vn, угловой скорости вращения фрезерного барабана со, глубины обработки h, типа и геометрических параметров рабочих органов. В число таких параметров входит: Rk - расстояние от оси вращения ножевого барабана; 5 - угол установки полки ножа; Ґн кҐн- ширина ножа и ширина полки; tH - толщина режущих элементов и их полок; ЬСек - расстояние между дисками 4; г - радиус закругления режущих кромок 6, 7; z - количество ножей 1, устанавливаемых на секции между дисками 4. Исследования серийно выпускаемых ножей отечественными и зарубежными учеными показывают, что увеличение размерных параметров lH\ г; tH; Ьсек приводит к росту энергетических затрат. Их следует определять путем расчета рабочих органов фрезы на прочность. Размер Rk для экспериментальных ножей был принят из условия, предложенного А.Д. Лукьяновым [118]. При исследовании влияния поступательной и угловой скоростей и глубины обработки верхнего слоя на энергоемкость однослойного и послойного фрезерования задернелой почвы использовались стандартные Г-образные ножи почвенной фрезы ФПН-2,0 конструкции МЗОК ВИМ и экспериментальные комбинированные ножа конструкции автора данной работы (рис. ЗЛи 3.5). Величины углов установки рабочих органов задавались в соответствии с результатами теоретических исследований (см. гл. 2.6.2). Предварительные исследования показали, что минимальную крошащую способность при фрезеровании задернелой почвы имеет плоский нож.
В экспериментальном рабочем органе этот конструктивный элемент является стойкой. Известно, что скоростные и технологические режимы работы фрез изменяются в широких пределах. Учитывая это, нижний уровень угловой скорости вращения барабана со, установленный аналитическим путем при h = 0,06 м, был принят равным 30 с"1. Верхний уровень фактора со, равный 40 с"1, был установлен с учетом априорной информации по проектированию отечественных и зарубежных фрез. При выборе верхнего уровня поступательной скорости за основу принимали максимальное значение поступательной скорости фрезы на лесных объектах Vn = 0,85 м/с [140]. Нижним пределом является минимальная скорость движения агрегата. Разница в длине ножей установлена по результатам наших теоретических исследований, изложенных в главе 2.2. Учитывая степень влияния на технологический процесс глубины обработки h и для обеспечения в дальнейшем нормальной работы машины для добычи корней МДК-1,1 конструкции автора [201], верхний и нижний уровень h были приняты соответственно равными 0,06 и 0,16 м. Уровни варьирования факторов приведены в табл. 3.2. Для составления уравнений регрессии по трем факторам нами использован план второго порядка, предложенный Боксом-Бенкиным [50, 221]. Этот план является композиционным, симметричным, почти ротатабельным. Матрица плана Бокса-Бенкина приведена в приложении 3. Порядок проведения опытов рандомизировался при помощи таблиц случайных чисел. Согласно матрице планирования с ножами каждого варианта проводилось по 14 опытов в 3-кратной повторности.
Качество крошения и энергоемкость процесса послойного фрезерования почвы зависит от кинематического параметра X и глубины обработки h. Учитывая это, планируемые нами эксперименты имели целью найти такое сочетание параметров Я и h, при которых выход агрономически ценных фракций был бы максимальным, а величина мощности, затрачиваемой на резание корней и обработку почвы, минимальной. Качество среза корней и корневищ соответствовало требованиям к заготовке лакричного сырья. Таким образом, в опытах по исследованию режимов работы ножевого барабана машины УДК-2,0 параметры оптимизации характеризовались двумя показателями: качеством крошения почвы х (содержание агрономически ценных фракций размером 0,25 - 10 мм в % от общей массы почвы) и затратами мощности на фрезерование У, выраженной в кВт. Для реализации задачи был поставлен двухфакторный эксперимент с использованием ортогонального композиционного плана второго порядка. Уровни варьирования исследуемых факторов приведены в табл. 3.3, а матрица указанного плана - в табл. 3.4. Нулевые точки выбирали с таким расчетом, чтобы она была близка к оптимальным сочетаниям факторов X и h, которые мы принимали на основе предварительного изучения объекта исследования. Соответственно выбранным нулевым точкам принимали верхний и нижний уровни. Перед началом опытов отбирали пробы почвы на влажность из горизонтов 0 ... 4, 4 ... 10, 10 ... 16 см по диагонали участка. В этих же местах измеряли твердость и плотность почвы, плотность и влажность корней солодки.
Оптимизация режимов работы машины для удаления нетоварных частей с корней солодки
Полученные в результате опытов экспериментальные значения общих затрат мощности на фрезерование и величин, определяющие качество срезания шипа корня солодки и крошения почвы, приведены на табл. 4.2. В табл. 4.2 представлены также натуральные значения уровней варьирования факторов в каждом опыте. По этим данным (табличные бланки - алгоритмы) [50] рассчитывались коэффициенты регрессии и производился статистический анализ квадратичных моделей: по энергоемкости, кВт: Наряду с этим, была проведена также проверка однородности дисперсии опытов. Поскольку в данном случае имеется равномерное дублирование для оценки дисперсии опытов, использовался критерий Кохрена. Поэтому Из расчетных таблиц распределения Кохрена [169] для/= п - 1 = 2 (число степеней свободы каждой выборки) nf2 = N = 9 (количество выборок) при уровне значимости а = 5 % определяли Стабл = 0,48. Полученные соотношения табл И шх табл ПОЗВОЛЯЮТ ПрИНЯТЬ ГИПОТвЗу об однородности дисперсий опытов. Дисперсия воспроизводимости экспериментов равна: После определения доверительных интервалов для коэффициентов регрессии и исключения незначимых коэффициентов проводилась проверка адекватности полученных математических моделей по критерию Фишера. Расчетные значения Fy = 2,37 и F , - 1,21 оказались меньше табличного Fy тав - 3,2; Fуітаб = 2,8. Это позволило сделать вывод об адекватности построения моделей экспериментальным данным.
Результаты моделирования приведены в табл. 4.3. Анализ построения математических моделей проводился путем сравнения численных величин и знаков коэффициентов регрессии (таблица 4.3) на функции выхода. Как видно из представленных в табл. 4.2 данных, качество среза шипа и крошения почвы у1 (агрегатный состав) увеличивается с увеличением кинематического параметра А и глубины обработки h, так как В і 0; В2 0. Доля возрастания у1 за счет увеличения А вдвое превышает долю возрастания у за счет роста глубины фрезерования (В і В2). Интенсивность степени крошения почвы растет с увеличением кинематического параметра А (Ві 0 при Вп 0) и уменьшается с увеличением глубины обработки h (В22 0 при В2 0). При этом влияние фактора А не зависит от величины фактора h, так как эффект взаимодействия в рассматриваемой модели отсутствует (В 12 = 0). Приводимая от В ОМ трактора мощность, затрачиваемая на фрезерование У, с увеличением А и уменьшением h, уменьшается. Изменение параметра А оказывает большее влияние на величину У, чем изменение глубины. Следует отметить также, что интенсивность изменения мощности уменьшается с увеличением кинематического параметра А и глубины h фрезерования (В и 0 при В і 0, В22 0 при В2 0). Наличие в модели эффекта взаимодействия (Ві2 0) указывает на то, что влияние фактора А на затраты мощности зависит от уровня, на котором находится фактор h.
Завершающим этапом анализа результатов экспериментального исследования являлось решение задачи на условный экстремум. Целью этой работы было нахождение таких режимов работы ножевого барабана, при которых энергоемкость У процесса была бы минимально возможной при качестве крошения почвы, удовлетворяющем агротехническим требованиям. В результате комплексной оптимизации процесса послойного фрезерования корней и почвы были получены следующие значения определяемых величин: численное значение кинематического параметра А = 11 и глубины обработки h = 0,16 м. В заключении сравнивали затраты мощности на фрезерование почвы, полученные экспериментально и расчетным путем. Графики, иллюстрирующие зависимость энергоемкости процесса от кинематического показателя (рис. 4.11), указывают хорошую сходимость данных, полученных теоретическим и экспериментальным путями. Ошибка опытов и расчетов не превышает 8 %. Сопоставление теоретических значений скоростей отбрасывания почвенных частиц с полки экспериментального ножа (табл. 4.4) определялись по формуле: и иллюстрируют хорошую их сходимость. Расхождение числовых данных не превышает в среднем 5,3 %. Это свидетельствует о том, что для практических целей, не проводя трудоемких опытов по определению значений скорости отбрасывания почвенных частиц, можно пользоваться предложенным аналитическим выражением. Таким образом, результаты теоретических исследований закономерностей движения почвы при центробежной разгрузке по полке ножа и после схода с нее частиц корней солодки можно использовать для обоснования скоростных и размерных параметров рабочих органов фрезерных машин. Представленным в этом параграфе сведениям предваряли лабораторные и стендовые исследования. С помощью лабораторных установок нами определялись физико - механические свойства корней и корневищ солодки голой степного и пойменного экотипа, добытых в Волгоградской и Астраханской областях, республике Калмыкия, Ставропольском крае и республике Дагестан. Эти сведения приведены в приложении 2.
Для сравнения энергозатрат на фрезерование корней солодки при разной влажности на стендовом оборудовании применением тензометрирования при тех же углах заточки и резания определены фактические усилия резания и рассчитаны удельные сопротивления на срез корней солодки. Эти сведения представлены в приложении 5. Приведенные данные аргументируют допущение, что удельные затраты на срез и крошение дернового слоя соответствуют удельным затратам на срез карабаша с корней солодки. Технология фитомелиорации деградированных, бывших орошаемых земель может быть выполнена двумя способами: посевом скарифицированных семян солодки и посадкой черенков из корней и корневищ солодки 4-х и 5-й летнего возраста. Классификация технологий и технических средств для создания плантаций культуры посевом семян солодки на деградированных орошаемых почвах представлена на рис. 4.12. Упрощенная и доступная технология, проверенная с 1994 года по настоящее время в ОПХ «Орошаемое» ГНУ ВНИИОЗ предусматривает следующие машинные и механизированные операции: рыхление почвы и грунта на
