И усовершенствование машинной технологии и технических средств для возделывания сельско хозяйственных культур в малых фермерских хозяйствах (на примере щидакарталинского региона)
ГРУЗИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТна правах рукописи
Торикашвили Коба Подбор и усовершенствование машинной технологии и технических средств для возделывания сельско хозяйственных культур в малых фермерских хозяйствах (на примере щидакарталинского региона) Специальность 05.20.01-Механизация сельскохозяйственного производства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Тбилиси – 2006
Работа выпольнена в Грузинском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельсого хозяйства им. К.М.Амираджиби Научный руководитель Махароблидзе Реваз, академик АСХН Грузии, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной Премии Официальные опоненты:
доктор технических наук, 05.20. кандидат технических наук, 05.20.
Защита диссертации состоится – 2006г.в 12 часов на заседании диссертационного совета Т.05.20.№1 Грузинского Государственного сельскохозяйственного университета по адресу: г. Тбилиси, аллея Давида Агмашенебели,13-ый км.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Грузинского государственного сельскохозяйственного университета.
Автореферат разослан «_» _2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета, академик АСХН Грузии, доктор технических наук, профессор Д. Кацитадзе КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В связи с формированием новых форм хозяйственности, ранее внедренные технологии и системы машин сельскохозяйственного производства стали нерен табельными и, в некоторых случаях, неприемлемыми. В нынешних условиях стало необхо димостью применение научно обоснованных методов управления, рациональных способов агробизнеса, высоких технологий возделывания и уборки сельскохозяйственных культур с соответствующей системой машин.
В результате приватизации, значительная часть сельскохозяйственных угодий перешла во владение частных собственников в виде мелко-контурных участков. На базе этих участков организованы три категории мелких фермерских хозяйств: собственно мелкие фермерские, частные крестьянские и приусадебные хозяйства. На сегодняшний день в Грузии эти хозяйства и являются основными производителями сельскохозяйственных продуктов. Но отсутствие научно обоснованных, высоких машинных технологий и соответствующих комплексов машин обусловливает такую низкую продуктивность производства, как в общественных хозяйствах.
Разработка высоких машинных технологий, обоснование оптимальных систем почвообработки, разработка и внедрение соответствующих конструкций комплексных машин весьма актуальная проблема.
Целью настоящей работы является поиск и разработка необходимых рациональных машинных технологий с соответствующей системой машин, которая обеспечивает максимальную урожайность с минимальными энергетическими и финансовыми затратами.
Для достижения указанных целей необходимо решить следующие конкретные задачи:
• поиск, разработка и определение условий внедрения высоких машинных технологий возделывания и уборки сельскохозяйственных культур;
• уточнение системы машин, соответствующих высоким технологиям, подбор оптималь ных энергетических средств для комбинированного агрегата, конструктивное усовер шенствование и теоретическое обоснование технологических машин;
• оптимизация комплекса машин;
• экспериментальное исследование модернизированных машин;
• оценка экономической эффективности высокой технологии возделывания и уборки сельскохозяйственных культур.
Объекты исследования:
• малые фермерские хозяйства шидакарталинского региона, конкретно малого фермерского хозяйства села верхнего Чочети Каспского района;
• комплексный агрегат для двухслойной обработки почвы.
Научная новизна:
• разработка высоких технологий возделывания и уборки сельскохозяйственных культур для малых фермерских хозяйств;
• применение минитехники, как основных энергетических средств, уточнение высоких технологий с минитехникой, разработка системы минимальной обработки почвы для их выполнения с применением комплексных машин;
• подбор оптимального комплекса машин для малых фермерских хозяйств методом бизнес-плана;
• максимальное применение комплексных агрегатов в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур в малых фермерских хозяйствах;
• применение мотоблочного агрегата двухслойной обработки почвы при основной и предпосевной обработке почвы;
• выведение расчетных формул геометрических, кинематических, силовых и энергети ческих параметров комбинированного почвообрабатывающего агрегата с применением тео рии удара и элементов реологии;
• экспериментальное уточнение и теоретическое обоснование параметров комбинирован ного почвообрабатывающего агрегата.
Практическая ценность работы:
• разработана и применена в производстве высокая машинная технология производства и уборки сельскохозяйственных культур с применением комбинированных машин и комплекса технических средств малой механизации на сложно- и мелкоконтурных участках малых фермерских хозяйств.
• разработаны теоретические основы компоновки рабочих органов и расчета параметров при проектировании комбинированного почвообрабатывающего агрегата;
• применение комбинированного агрегата для двухслойной обработки почвы в малом фермерском хозяйстве села Чочети Каспского района;
Апробация Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:
• на заседаниях координационного совета по механизации и электрификации академии сельскохозяйственных наук Грузии;
• на заседаниях научного совета научно-исследовательского института механизации и электрификации за 2004 – 2005 г.г.
Публикация По теме диссертации опубликовано 8 научных статей.
Объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, основных заключений и приложения.
Работа содержит –114 печатных листов, 19 рисунков, 17 таблиц и список использованной литературы-79 наименовании.
Содержание работы:
Во введении рассмотрены проблемы, создавщиеся в сельскохозяйственном произ водстве из-за различных форм производства и в условиях рыночных отношений, роль малой механизации в решении этих проблем и перспективы ее совершенствования.
В первой главе отмечено, что в развитых странах зарубежья малые фермерские хозяйства являются основными производителями сельскохозяйственной продукции. После введения нового политического строя и рыночных взаимоотношений, значительная часть земельных угодий перешла во владение крестьян и на их базе основаны малые фермерские хозяйства с земельными угодьями с площадью участков 0,75 – 1,25га. В настоящее время приватизировано 789700га или 26,б5% сельскохозяйственных угодий. По категориям угодий, максимально приватизированы пахотные земли и площади, занятые многолетними насажде ниями. Сравнительно менее приватизированы сенокосы – 33% и пастбища 7%, что вызвано расположением угодий этих категорий в высокогорной зоне и тем,что они остались в общем владении сельского населения.
В результате приватизации в сельской местности основаны, в основном, две категории хозяйственности: крупные фермерские хозяйства с площадью угодий 50 – 100га и выше и малые фермерские хозяйства с площадью от 0,25 – 1,25 до 5га. Основными производителями сельскохозяйственных продуктов являются малые фермерские хозяйства.
Среди этих хозяйств можно выделить приусадебные, с площадью участков 0,22 – 0,25 га, мелкие крестьянские с площадью участков 0,45га и малые фермерские, с площадью 0,75 – 1,25 га хозяйства..
Для успешного функционирования фермерского хозяйства необходимо определить его производственное направление. Менталитет грузинского крестьянина требует, чтобы все возможные потребности семьи фермера на сельскохозяйственные продукты удовлетворялись собственным производством.
Исходя из отмеченного, среднегодовой потребный объем продукта для фермерской семьи можно определить по формуле:
Q= nN (1) где:
Q - годовое потребное количество продукта для фермерской семьи, кг;
n - количество душ в фермерской семье;
N - нормативное количество продукта на одну душу, кг.
По потребному количеству продукта определяем площадь участка, занимаемого данной культурой:
Q Fi = i (2) qi где:
Fi - площадь занимаемая i –той культурой, га;
Qi - количество продукта i-той культуры, кг;
qi - урожайность i – той культуры, кг/м2.
Суммируя занимаемые отдельными культурами площади можно определить общую площадь под сельскохозяйственные культуры, необходимые для удовлетворения потребнос тей фермерской семьи:
m Fc = 104 Fi (3) i = где:
Fc - суммарная площадь, занимаемая сельскохозяйственными культурами, га;
Fi - площадь занимаемая I–той культурой, га;
i = 1,2,3,... m – количество сельскохозяйственных культур, возделываемых фермером.
Расчетная площадь достаточна только для получения сельскохозяйственных культур, возделываемых самим фермером, но существует перечень продуктов, которые нужно приобрести на рынке. Необходимы денежные средства для приобретения этих продуктов, можно получить реализацией продуктов, полученных фермером сверх потребного семьей количества. Для этого необходимо увеличить расчетную площадь, полученную формулой 3:
F = (1,3 – 1,4) Fc (4) Вторая глава посвящена подбору и усовершенствованию высоких машинных технологий возделывания и уборки сельскохозяйственных культур. Технологии возделывания, уборки и первичной переработки отдельных сельскохозяйственных культур содержат до 22 технологических операций, которые в основном выполняются агрегатами простых типов, что требует столько же проходов по почве тракторами тягового класса 30 – 14 килоньютон, что вызывает ухудшение почвенной структуры и нарушение водно воздушного режима и, соответственно, приводит к уменьшению урожайности. Необходимо разработать, подогнанные к условиям многообразных форм хозяйственности, системы машинных технологий, которые будут учитывать материально-техническую вооруженность производителя, согласно его финансовым возможностям уровень интенсивности производства, природно-климатические условия и т.д. Они должны основываться на новейшие достижения биологической, инженерной и экономической наук.
Полученные после приватизации в частную собственность земельные угодья дали начало малым фермерским хозяйствам. Производственной базой малых фермерских хозяйств являются мелкоконтурные участки земли. Зарубежные фермеры производят сельскохозяйственные продукты в количестве, которое удовлетворяет не только потребности собственного государства, но и производят продукты для реализации за рубежом. Эти показатели обусловливают специально разработанные для фермерских хозяйств технологии, технические средства и рациональные системы удобрений и средств защиты растений.
Корректировка этих средств согласно условиям почвенно-климатической зоны дает им возможность получить урожай, максимально приближенный биологическим возможностям культуры. Совсем другое положение в Грузии. Здесь количество получаемых продуктов не превышает 55-65% биологических возможностей возделываемой культуры, что вызвано отсутствием разработанных специально для мелкоконтурных участков машинных технологий и подбора рациональных технических средств. Ввиду применяемых форм хозяйственности в малых фермерских хозяйствах, занимаемая площадь отдельными сель скохозяйственными культурами не превышает 0,3 – 0,35га. Исходя из этого для малых фермерских хозяйств необходимо рекомендовать применение минитракторов класса килоньютон, мотоблоков и мотокультиваторов, т. е. средств малой механизации.
.. В Грузию в основном поступали мотоблок МБ-1 и мотокультиватор МК-2, а на месте изготовлялись мотоблок «Супер-610А» и минитрактор модели «722». На базе этой техники можно осуществить оптимальную машинную технологию.
В комплект представленной техники входят 6 наименоманий сельскохозяйственных машин. За последние годы в лаборатории механизации малых фермерских хозяйств Грузинского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства разработаны, изготовлены и опробованы с участием аспиранта, несколько конструкции машин к мотоблокам. Они изготовлены на опытном механическом заводе института и применяются в фермерском хозяйстве с. Земо Чочети.
Наиболее применительна для малых фермерских хозяйств система минимальной обработки почвы с применением комплексных агрегатов. При возделывании колосовых целесообразно проведение предпосевной обработки почвы и посева комплексным агрегатом за один проход.
Из цикла обработки посевов комплексными агрегатами можно выполнить операции подкормки посевов, внесения гербицидов и нарезки поливных борозд. Итак, на мелко конту турных участках машинную технологию возделывания Колосовых культур можно представить в виде нижеприведенной схемы:
Подкормка Внесение Предпосевная посевов, вне органических обработка поч сение герби вы, внесение удобрений цидов, наре Боронова удобрений, зка полив ние посевов посев и при ных борозд Подготовка катывание комплексны минеральных комплексными ми грегата удобрении агрегатами ми Уборка урожая прямым Транспортировка зерна и комбайнированием тюков соломы.
Как указывает анализ представленной схемы, 22 операции нормальной технологии с применением комплексных агрегатов доведены до 7. Значительно уменьшены агротех нические сроки выпольнения технологических процесов.
Технология возделывания и уборки смешанных посевов кукурузы с фасолью предусматривает двухслойную обработку почвы полосовым методом. Операции I цикла выполняются комплексным агрегатом за один проход, а остальнве индивидуально. Анализ технологии указывает, что 22 технологические операции нормальной технологии доводятся до 12. Итак, предлогаемая нами технология представлено на нижеприведенной схеме:
Нарезка Бороно- Уборка Двухслой- поливных вание фасоли Лущение ная обра- борозд всходов стерни ботка поч- внутри и Опыление вы, внесе- снаружи Первая кукурузы ние удоб- участка, культи рении, по- полив 3р.
Подвоз вация сев,прика- Уборка минера тывание кукурузы льных Боронова комбини- Вторая удобре ние до по рованным культи нии Уборка явления агрегатом вация соломы всходов Нами разработана машинная технология возделывания картофеля на сферических грядках («базо»). Предложенная машинная технология предусматривает одновременное выполнение технологических операций: сплошное фрезерование на глубине 10 – 12 см с заделкой органических удобрений, внесение минеральных удобрении вдоль посадочной полосы, расположение посадочного материала в посадочной полосе, в необходимых случаях нарезка поливочных полос, формирование сферической грядки. Этим количество технологических операций доводигся до 5.
Указанная технология представлена на нижеприведенной схеме:
Нарезка Кошение ботвы поливных Протравли- Рыхление поч- и уборка с борозд и полив вание семян вы с заделькой участка органических в агрегате I культивация и внесение Уборка карто и борба с бол минеральных феля езнями и вре удобрений, транспорти дителями расположение ровка наво клубней в транспортиров за и его по рядах, форми- П култивация ка картофеля в лосовое рование сфери- с подкормкой хранилище внесение ческих грядок и окучиванием в почву Третья глава посвящается вопросам оптимального подбора комплекса машин для возделывания и уборки сельскохозяйственных культур в малых фермерских хозяйствах.
Рассмотрены специфические условия определения номенклатурного и количественного состава машинного парка и некоторые методы его оптимизации.
П Процесс оптимизации осуществляется решением полинома критерия оптимизации на оптимум.
К = (Фt, Фtex,Фb) (5) Критерием оптимизации можно применить производительность агрегата, прямые и приведенные затраты. Допустим в малом фермерском хозяйстве возделывается n- культур, в каждой технологии с m – операцией и l – тягового класса агрегатов, производительность определяется по формуле W=(B,V,T), тогда задачу оптимизации комплекса машин можно представить в следующем виде:
n m l f ( A Vijk Bijk Tijk ) ijk (6) i =1 j =1 k = max При ограничениях: A 0, V 0, B 0, T 0.
При оптимизации по производительности можно получить ее такой рост, при котором возрастут приведенные затраты. По этому, за критерий оптимизации необходимо принять такой фактор, который предусматривает комплексную оптимизацию производительности и приведенных затрат. Таким параметром является приведенные эксплуатационные затраты:
С прям C пр ив = + С кап (7) Wчас где: Спрям – прямые эксплуатационные затраты агрегата, лари;
Wчас – часовая производительность агрегата, га/час;
Скап – капитальные затраты на технологический процесс, лари.
В работе рассчитаны все величины, входящие в формулу 7 и после математических преобразовании получен полином критерия оптимизации:
nm l B D Aijk b V + + E (8) ijk ijk ijk i =1 j =1 k =1 IJK min где: Аijk – тяговые характеристики агрегатов, участвующих в процессе оптимизации;
В, Д и Е – коэффициенты, учитывающие постоянные величины, участвующие в процессе оптимизации;
Bijk – ширина захвата агрегата, м;
Vijk – скорость движения агрегата, км/час;
ink – коэффициент использования сменного времени.
Представленная система оптимизации комплекса машин эффективен только в том случае, если технологический процесс выполняется на больших площадях с мощной техникой, когда затраты на использование техники составляют значительную часть общих затрат. Но в случае малых фермерских хозяйств, доля затрат на использование техники в общих затратах так мала, что рассмотренный метод не имеет эффекта оптимизаций. По этому, в этом случае эффективно применение выбора машин по бизнес-плану, т.е.
оптимизация методом минимизации общих затрат.
Критерием оптимального выбора комплекса машин по бизнес-плану будет балансовая прибыл:
Рб = Сдох – Сзат (9) max где: Рб – балансовая прибыль, лари;
Сдох - доход от реализации полученной сельскохозяйственной продукции, лари;
Сзат - суммарные затраты на производство сельскохозяйственной продукции, лари.
Доходы получаемые реализацией продукции делятся на стоимости продуктов растениеводства и животноводства, значение которых дани в нижеследующих таблицах.
Сравнивая нормативные и полученные количества определяем количество продуктов для реализации. Соответственно добавочный доход хозяйства (таблица №2) Таблица № Количество основных и сопутствующих продуктов растениеводства № Произведенный продукт конечный продукт Наименование Основной Добавочный Занимае-мая пло-щадь, га продукта продукт, кг продукт, кг продукт, кг продукт, кг Основной ность т/га Урожайн Сопутст.
1 Пшеница 0,3 4,5 1350 2025 1266 мука 2 Кукуруза 0,3 5,5 1650 2475 1155 мука 3 Люцерна 0,2 9,0 1800 1800 сено 4 Фрукты 0,05 4,0 200 150 50 (нек.) 5 Виноград 0,15 5,0 750 450 вино 6 Овощи 0,1 12,0 1200 100 пище- 200(нек.) вые прод.
7 Картофель 0,1 10,0 1000 300 800 клубни 200(нек) Ввиду многоотраслевости малого фермерского хозяйства необходимо предусмотреть поголовье животных: коров – 2 с приплодом, свиноматок- 4, Боровов - 1 с приплодом поросят. Доход от животноводства определяется аналогично растениеводству (т. №3).
Таблица № Добавочный доход, полученный от реализации продуктов растениеводства № Наименование продукта Количество продукта, кг Доход, лари Всего норма- Изли- Стоймость Доход, дари тивное щек единицы прод, лари 1 2 3 4 5 6 1 Мука пшеничная 1266 592 674 0,76 2 Мука кукурузная 1155 480 3 Вино 459 300 150 1,1 4 Овощи 1000 928 72 0,7 50, 5 Картофель 1000 468 532 0,6 319, Всего 1042, Таблица № Доход полученный реализацией продуктов животноводства Мясо, кг Молоко, кг Стоимость един.
продук-кции л/кг реали Всего, лари Норматив-ное Нормативное Количество № Живот- ные реализации Всего Всего зации Для Для 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Корова 2 3000 1276 1724 1,2 2 Молодняк 4 500 241 259 4,5 3 Свиньи 4 300 200 100 5,0 4 Поросята 23 23 50 Всего Для питания данного количества животных, необходимо 6900 кормовых единиц, кото рые необходимо получить из личного производства растениеводства. Здесь же, необходимо предусмотреть количество кормовых единиц, получаемых из пастбищ в виде зеленного кор ма. Недостаток кормовых единиц можно пополнить и за счет кукурузного зерна. Расчет внутрихозяйственного производства кормовых единиц дано в таблице №4.
Таблица № Расчет количества кормовых единиц, необходимых для животноводства № Наименование продукции Количество Колич. кор. Един. на Колич. кор. единиц продуктов, т един. продук- всего т.
ции.кор.ед./т 1 Солома пшеницы 2,025 220 445, 2 Отруби пшеницы 0,675 710 479, 3 Солома кукурузы 2,475 370 915, 4 Кукурузная крупа 0,490 1310 5 Помол стержней початков 0,870 350 304, 6 Зерно кукурузы 0,950 1400 7 Овощи 0,2 130 8 Картофель 0,2 300 9 Люцерна 1,8 370 10 Сыворотка сыра 1,0 850 11 Зеленная масса 4,53 300 Всего 13,19 Полученное количество кормовых единиц полностью удовлетворяет потребности животноводства фермерского хозяйства. Итак, общий доход от реализации добавочной продукции:
Ообщ = Срас + Сжив = 6777,6 лари Таблица № Технико-экономическая характеристика техники, принадлежащей фермеру Наимено-вание Нагрузка Стой- Зат. на то и C № техники Марка мость хранен.
лари Норм. факт. % лари % лари 1 мотоблок супер-600 500 425 660 15 58 17 2 мотоблок МБ-1 400 256 660 15 83 17 3 мотокультив. МК-2 180 12 83 17 4 Сеялка двухрядн. Собствен. 150 12 22 12 производ.
5 Бороздо- делатель « 150 12 18 12 6 Борона « 150 12 18 12 7 Культватор « 160 12 19 12 8 Культиватор 120 12 14 12 двухслойн-ный « 9 Окучник « 90 12 11 12 Всего 2813 326 Суммарные затраты на производство продукции можно рассчитать выражением:
Ссум=Смех+Ссем+Суд+Сзем +Спр.пр.+Ссрах+Снеп.р. (10) где: Смех – стоимость работ выполненных комплексом машин. Применяя технико экономические показатели техники (таблица №5) затраты на выполнение механизированных работ можно рассчитать по формуле:
Смех = C + Cто + Сэр + Сгсм (11) где: C – затраты на амортизацию техники по таблице №5 равны 326 лари;
Cто + Схр - затраты на техническое обслуживание и хранение техники и по той-же таблице равны 356 лари;
Cгсм – затраты на горюче-смазочные материалы согласно технологическим картам равно 343 лари.
тогда: Смех = 326 + 356 + 343 = 1025 лари Затраты на приобретение элитарных семян:
n C сем = Fi q i S i (12) i = где: Fi –площадь, занимаемая i – той культурой в гектарах;
qi –норма высева i– той культуры, кг/га;
Si – реализационная цена i – той культуры, лари/кг.
N – количество видов возделываемых культур, при возделывании пшеницы, кукурузы, фасоли и картофеля Всем = 0,32000,7+0,8500,5+0,5103+0,2600,7 = 84 лари Затраты на приобретение минеральных удобрении C уд = F j Q j S j (13) где: Fj – площадь внесения j-того удобрения, га;
Qj – норма внесения j-того удобрения, кг/га;
Sj - розничная цена j-того удобрения.
m – количество видов удобрении, Нами применяются соли азота, фосфора и калия, тогда Суд = 1,25(1790,7+1250,48+1330,48) = 249,14 лари Cзем – налог на землю – по решению правительств налог на землю с площади менее га не взимается;
Спр.пр. – затраты на приобретение производственных продуктов 611лари;
Сстр – затраты на страхование насчитываются в количестве 4 – 5% от общего дохода производства, 237 лари;
Снепр. – берется 5% от общих затрат на производство 118 лари.
Тогда суммарные затраты на производство:
Ссум. = 1025 + 84 + 249 + 611 + 237 + 118 = 2324 лари В итоге балансовая прибыль составит:
Пб =5927,6 – 2324= 3604,6 лари В четвертой главе рассмотрен комплекс машин для возделывания и уборки сельскохозяйственных культур в малых фермерских хозяйствах, его составляющие конкретные машины и орудия, их положительные и отрицательные стороны, намечены мероприятия их совершенствования.
Из технологических операций машинным способом в совершенстве выполняются только операции основной и предпосевной обработки почвы, при этом появляется возможность применить систему минимальной обработки почвы c комплексными агрегатами. Когда рассуждаем о применении комплексных технологий, необходимо предусмотреть специфику малого фермерского хозяйства, конкретно, то, что участки сельского товаропроизводителя обрабатываются в течении целого года и не успевают полностью потерять структуру, что дает возможность из цикла основной обработки почвы исключить процесс пахоты. Для комплексного выполнения работ по обработке почвы нами сконструирован мотоблочный агрегат для двухслойной обработки почвы, который разрыхляет почву фрезобарабаном на полную ширину захвата на глубину посева и углубляет обработанный слой до 20 – 22 см пассивным рыхлителем. Итак, в одном агрегате совмещены активные и пассивные рабочие органы и фактически представляет новое принципиальное решение, поэтому необходимо теоретическое обоснование его конструкции и принципа работы.
Несмотря на то, что по инженерному расчету ротационных рабочих органов существует множество литературных источников, методика их силового и энергетического расчета требует доработки. Дело в том, что энергетические параметры рассчитываются как функция удельного сопротивления или удельной деформации почвы, которые сами по себе являются функцией физико-механических свойств обрабатываемого материала, конструктивных, динамических и кинематических параметров режущего элемента и его привода. Одним из возможных вариантов совершенствования процесса резания почвы режущим элементом фрезы является ее рассмотрение с позиции теории удара.
Рассматриваемый процесс относится контактным динамическим задачам с местными деформациями. В первом приближении для качественного анализа процесса фрезерования почвы можно использовать формулу Герца:
P = ka 2 (14) Здесь коэффициент k зависит от геометрии поверхностей соударяющихся тел в точке контакта, свойств материала и определяется выражением qk k= (15) 3 1 1 1 2 A+ B + E1 E где Е1,Е2, 1 и 2 – коэффициенты упругости и коэффициенты Пуассона режущего элемента и почвы соответственно;
qk, A и B – коэффициенты, учитывающие геометрию двух соприкасающихся поверхностей.
С учетом допущений, которые справедливы и для материалов режущих элементов фрез и почв, коэффициент k определяется более упрощенной формулой:
k = 1, 33E R (16) где: Е – модуль упругости почвы;
R – радиус закругления острия режущего элемента.
Для определения ударной силы резания имеем уравнение движения d M 2 = ka 2 (17) dt m1 m где:
- M = - приведенная масса.
m1 + m Нами рассматривается в общем виде процесс ударного взаимодействия абсолютно жесткого тела с упруго-вязким сельскохозяйственным материалом, результаты которого можно распространить и на рассматриваемый процесс. Ударное усилие определяется по формуле академика Р. Махароблидзе:
mV02 1 M 5 Pmax = 1,576 K 1 + 0,9 1 (18) k K V где: V0 – скорость ударного тела;
– время релаксации.
Расчетную формулу 18 можно использовать в качестве исходных предпосылок для определения силовых и энергетических показателей процесса фрезерования почвы. Рабочий орган фрезы участвует в двух движениях: в поступательном агрегата и во вращательном барабана фрезы. Траектория движения рабочих органов барабана с горизонтальной осью вращения геометрически представляет собой циклоиду, на изменение формы которой V R оказывает влияние отношение окружной и поступательной скоростей = =, где Va Va – угловая скорость барабана;
Rф – радиус крайней точки барабана фрезы;
Va – поступательная скорость агрегата. Как правило, в ротационных почвообрабатывающих машинах 1, поэтому абсолютная траектория рабочих органов представляет собой удлиненную циклоиду. Абсолютная скорость движения рабочего органа или скорость резания определяется выражением:
V0 = Va 2 ± 2 sin + 1 (19) где: = t - угол поворота барабана из начального положения Нижний знак в формуле 19 относится.к прямому, а верхний к обратному вращению. В зоне резания максимальной скорости соответствует: при прямом вращении V0 = Va 2 + 1 ;
при обратном вращении V0 = Va ( + 1).Приведенная в точку удара масса ротора:
m1 = I R (20) где: I- момент инерции ротора;
Rф – радиус фрезы измеряется от места удара.
Масса почвы, участвующая в ударе:
m2 = pV (21) где: p – плотность почвы;
V – объем отрезаемой почвы. Для приближенных расчетов объем структуры может быть выражен по формуле:
V = Sab (22) где: a и b - глубина и толщина стружки;
S – подача на нож.
Траектория одного ножа смещена относительно соседнего с ним ножа по горизонтали на некоторую величину S - называемую подачей на нож. S = vat, где: t – время, в течении которого нож поворачивается на угол, равный углу между соседними ножами. При числе ножей z в одной плоскости диска барабана угол между соседними ножами ровен 2/z. Тогда время t=2/so, а подача 2 Va 2 R S= = (23) z z Подставляя значения 22, 23 в формулу 22, получаем, что масса стружки почвы, участвующий в ударе рана 2 R m2 = pab (24) z Тогда общая приведенная масса в формуле 18 определяется выражением 2 / R pab mm M= 1 2 = (25) m1 + m2 I z + 2 R pab Подставляя значения параметров 16, 19, 25 в равенство 18 получаем расчетную формулу ударного резания почвы при фрезеровании в виде 2 / R abV ( + 1) 2 2 Pmax = 2, 096 E R a ( I z + 2 R ab)1,33E R 2 / R ab 1 1 + 0, 09 (26) ( I z + 2 R ab)01,33E R (Va 2 + 1) Для почвогрунтов второй член в фигурных скобках очень мал по сравнению с единицей и им можно пренебречь. Тогда группируя постоянные члены и учитывая количество одновременно работающих ножей, получим IR abV ( + 1) 2 2 1 Pmax = 5, 23E R z 5 (27) I z + 2 R ab Для почвофрез при обратном вращении в формуле 27 выражение V02 ( 2 +1) Lзаменяется на V02 ( + 1) 2. Расчетная формула 27 более полно, чем существующие теории, учитывает геометрические, кинематические, динамические факторы процесса фрезерования и физико механические свойства обрабатываемой среды (почвы). Однако некоторые факторы (сопротивление отрыву почвы, угол заточки ножа и др.) не поддаются точному выражению.
Для учета этих факто-ров к правой части равенства 27 можно прибавить еще один член fPmax, Аналогичная методология для теории молотильного барабана предложена акад. В.П.
Горячкиным, Тогда формула для расчета усилия резания при фрезеровании почвогрунтов принимает вид:
IR abVa2 ( 2 + 1) 5 z I 2 Pmax = 5, 23E R 5 B (28) I z + 2 R ab 1 f Коэффициент следует определить экспериментально, остальные составляющие процесса фрезерования (сопротивление отбрасывания стружки, трения, перекатывания и др.) легко определяются методами существующей теории.
Учитывая, что для приближенных расчетов площадь стружки F = ab, а скорость агрегата Va= Vф/, по формуле 27 можно определить максимальное значение ударного напряжения 2 +1 2 2 IR ab V ER k 5 max = 5, 23 (29) ab I z + 2 R ab Отсюда принимая, что предел прочности почвы пр равен максимальному значению напряжения, т.е. макс.= пр получаем после некоторых преобразований расчетную формулу критической скорости фрезы:
5 пр ( I z + 2 R ab)(ab) = v ( кр ) (30) 2 +1 5 (5, 23) E R IR k 3 В.П. Горячкин указывал, что «несмотря на чрезвычайное разнообразие разного рода сельскохозяйственных орудий. форма орудий, применяемых для обработки при помощи разрушения частей тела, сводится к простой схеме, а именно клину». Далее : «вопрос о работе клина может быть разрешен только путем применения теории упругости».
Рис. 1. Механизм разрушения почвы пассивными рабочими органами.
Механизм разрушения почвы пассивными рабочими органами представляется следующим образом (рис.1.): клин вдавливается в материал с переменным усилием. Вначале это давление равно нулю, а затем оно начинает постепенно возрастать. По мере того как резец углубляется в почву на некоторую величину а, сопротивление сжатия возрастает до того предела, который достаточен для скалывания элемента по некоторому косому углу.
После скалывания этот элемент начинает скользить одновременно по плоскости скалывания и по рабочей плоскости клина. Потом этот процесс снова повторяется и получаются глыбы, сдвинутые относительно друг друга При ресурсосберегающей технологии обе операции совмещаются. При этом дополнительные разрушения глыб осуществляются ротационными рабочими органами. Совместное взаимодействие рыхлительной лапы и фрезобарабана с почвой представлена на рисунке 2. Эти рабочие органы устанавливаются с некоторым угловым смещением.
Рис.2. Механизм разрушения почвы пассивными и активными рабочими органами при совмещении операций.
. Продвижение рыхлительной лапы на расстояние а, когда напряжение сжатия возрастает до предельного значения скалывания, 90 1 + 1 H cos sin 2 cos 2 a= (31) 3 + + cos где: - угол наклона лапы ко дну борозды;
H – глубина рыхления;
- угол трения пласта (стружки) по рабочей поверхности лапы (клина);
1 – угол внутреннего трения (угол трения стружки) при сдвиге.
Угол скалывания пласта тоже определяется известным выражением:
+ + = 90 (32) Используя простое геометрическое соотношение (рис.2) R sin H = Hctg + l (33) Определяем расстояние между осью вращения фрезобарабана и носком рыхлительной лапы l = R sin H Hctg (34) где: R – радиус фрезобарабана;
H –угол начала резания.
угол H определяется выражением h H = arccoc * 1 (35) R где: h – глубина обработки.
На основании проведенных при проектировании мотоблочного агрегата для двухслойной обработки почвы теоретических расчетов и проектных данных, можем рассчитать эксплуатационные и режимные параметры агрегата.
По проектным данным подберем величины, входящие в состав формулы 30: = кг/м3;
=0,4.106 H/м2;
E=2.106 H/м2;
a=0,12м;
b=0,1м;
R=25м;
R=0,155м;
I=0,017кг/м2;
пр z=4;
k=4. По результатам проведенных расчетов по формуле 31 V = 3,1 м/сек Учитывая полученную величину критической скорости определяем по формуле определяем максимальную величину силы ударного резания Pmax = 932 н.
Мощность, необходимая для технологического ударного резания равно:
N= Pmax V = 932*3,1=2889 vt=2,9 kvt.
Конструктивные параметры предложенного фрезерного барарабана равны: радиус барабана R = 0,155м;
z = 4;
a= 200;
H = 0,2м;
= 300;
1 = 450. По этим параметрам, применяя формулу 31 расстояние от оси вращения фрезерного барабана до носка рыхли тельной лапы a=0,072м. Кинематический параметр 2.3,14.0, = = 2, 4.0, V = 3,1 м/сек, По вышеприведенным расчетам тогда скорость передвижения агрегата Va = V = 3,1/ 2, 72 = 1,13 м/сек;
частота вращения агрегата:
30V 30 3, = 191mиn 1 ;
n= = R 3,14 0, Угол начала резания определяется по формуле 35:
0, H = aeccoc1 = 78, 0, Расстояние расположения оси вращения фрезобарабана перед носком рыхлительной лапы:
0 l = 0,125 sin 78 0,2ctg (5 ) = 0,095 м.
Разработаны конструктивные основы создания комплексного мотоблочного агрегата для двухслойной обработки почвы согласно проведенным теоретическим расчетам Рис.3. Комплексный мотоблочрый агрегат для двухслойной обработки почвы Экспериментальный мотоблочный агрегат для двухслойной обработки почвы состоит из: мотоблока "Супер -610" и мащины для двухслойной обработки почвы. В состав машины для двухслойной обработки почвы входят: серийнная фреза мотоблока, с шириной захвата см, к кронштеину крепления лапы регулятора глубины фрезерования крепится лапа чизельного типа, для глубокого рыхления почвы. Фреза приводится в движении от вала отбора мощности мотоблока, через карданную передачу. Кожух конического редуктора выполнен в виде несущей конструкции, который фланцем крепится на корпус ВОМ-а мотоблока. Для увеличения силы сцепления на мотоблок крепятся грузики. Конструктивно эксплуатационные показатели агрегегата для двухслойной обработки почвы составляют:
ширина захвата - 70 см;
глубина фрезерования - 10 - 12 см;
глубина глубокого рыхления 20 22 см.
В пятой гдаве для.оценки полученных теоретических и конструктивных параметров агрегата двухслойной обработки почвы проведены экспериментальные исследования.
Для полевых испытаний эксперименального агрегата на територии малого фермерского хозяйства села земо Чочети Каспского района подобран экспериментальный участок, который по конфигурации и природно-почвенным характеристикам соответствует почвенным услвиям малых фермерских хозяйств средней Картли. По количеству экспериментов выделены 8 делянок шириной 2 м, и длиной 50 м. На делянках выделены учетные полосы шириной, равной двум ширинам захвата экспериментального агрегата и длиной 30 м. Каждый эксперимент проводится в двух направлениях, туда и обратно.
Для определения плотности экспериментального участка применен плотномер Ревяки на. Средняя плотность экспериментального участка составила 23,5 кг./см2. Глубина плодор одного слоя почвы составляет 35 - 38 кг/см2. Анализ плотности почвы по горизонталям указывает, что она постепенно возрастает по глубине. Если в горизонте 0 - 5 см она изме няется в пределах 8 - 25 кг/см2, то в горизонте 20 - 25 см достигает 28 - 31 кг/см см Такое изменение плотности по глубине вызвано применением системы минимальной обработки, которая предусматрывает активную обработку почвы до глубины 15 -22 см, а нижний слой уплотняется и приводит к нарушению водно-воздушного режима.
По этому, при разработке долгосрочной технологии необходимо предусмотреть обработку почвы на глубине 30 - 35 см в 5-6 лет один раз.
Кг/см 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 № эксп Рис.3. График изменения плотности почвы - плотность по горизонталям, кг/см3;
- средняя плотность отдельных экспериментов, кг/см3;
- средняя плотность экспериментального участка, кг/см3.
Влажность почвы определена на всех восьми экспериментальных делянках., она изменяется в пределах 18 - 26%, но ярко выраженной закономерности изменения не наблюдается. По результатам экспериментов, средняя влажность почвы колеблется в пределах 19 - 24%, а средняя влажность экспериментального участка составляет 22,35%.
Несмотря на то, что в период проведения экспериментов влажность почвы находилась в оптимальных для развития насаждений пределах, наблюдалась склонность к филътрации. По этому в рациональной технологии необходимо предусмотреть операции полива, особенно в засушливые месяцы года.
В период эксперимента зафиксированы и агротехнические показатели: ширина захва та, степень рыхления, глубины обработки и степень среза сорняков.E Анализ результатов экспериментов указывает, что математическое ожидание ширины захвата агрегата B = 69,9 см, средне квадратическое отклонение = ±0,88 см и коэффици ент вариации V=1,26%, т.е. отклонение от установочной величины в пределах ошибки эксперимента (рис. 4.). Аналогичное состояние при определении ширины захвата рыхлящей лапы, где b = 19,9 см, среднеквадратическое отклонение = ±0, 61 см и коэффициент вари ации V=3,06%. Соответственно, те же показатели составляют: для глубокого рыхления 21,16 см, ±0,60 см, 2,8% и для глубины фрезерования 11,02 см, ±0,65 см и 5,9%.
Как показывает анализ приведенных данных и графика (рис.4), отклонение от установочных значений характеристик в пределах ±1 – 1,5 см, сравнитедьно высокое значе ние коэффициента вариации при фрезеровании вызванно наличием фрезы, этот показатель был бы значительно выше, но наличие рыхлительной лапы сглаживает влияние фрезы так, как она не только проводит глубокое рыхление, но и выполняет функции регулятора.
Во время экспериментов, срез сорняков составил 99,6%, т.е. можно считать, что уничтожение сорняков фрезобарабаном полное.
При анализе рыхления почвы необходимо выделить две зоны: зона рыхления фрезобарабаном и зона рыхления рыхлящей лапой. Зона рыхления фрезобарабаном представляет собой зону расположения семян и корневой системы растений, по этому она должна иметь мелкокомковую структуру. Гранулометрический анализ проб показывает, что основная масса пробы 65,3% имеет размеры от 10 до 1 см2. Ее фракции, которые не удовлетворяют агротехническии требованиям составляют: выше нормы 8,8% и ниже нормы, пылевидная 10%. Вторая зона, разрыхленная пассивным рабочим органом, служит улучшению водно-воздушного режима, она характеризуется крупнокомковой структурой. В пробах фракция 50 - 25 см2 составляет 63%, а остальные фракции составляют: 100 - 11,75 %, 25 - 10 19% и 10 - 1 6,2% т.е. гранулометрическое состояние почвы польностью удовлетворяет агротехническим требованиям технологического процесса.
см 1.
3.
5.
7.
9.
.
.
.
.
.
.
.
.
#. экс Рис.4. График изменения агротехнических показателей агрегата.
- ширина захвата фрезы, см;
- ширина разрыхленной лапой полосы, см;
- глубина рыхления, см;
- глубина фрезерования, см.
глубины.
Итак, по агротехническим показателям, агрегат двухслойной обработки почвы представляет собой стабильную систему и создает оптимальную среду для активного развития растений.
Для энергетической оценки агрегата двухслойной обработки почвы, во время эксперимента на специальной светочувствительной бумаге фиксировались крутящие моменты приведенные к ведущим полуосям мотоблока и приводному валу фрезобарабана.
Осцилограмы обработаны методами математической статистики и теории вероятностей.
Построенные согласно расщетам гистограмы указывают, что процесс подчиняется закону нормалъного распределения. Полученные значения крутящих моментов, их среднеквадрати ческих отклонений и коэффициентов вариации, указывают на высокую надежность результатов эксперимента и пригодность их для далънейших расчетов По результатам экспериментов расчитана сумарная мощность и реалные скорости для выполнения технологического процесса. Сумарный расход мощности не превышает 2, квт, что указывает на то, что есть возможность на комплексный агрегат добавочно монтировать высеивающий аппарат. График мощности указывает на то, что есть возможность ее применения, как критерия регресивного анализа, т.е. Ni =yi.
В методике планирования многофакторных экспериментов определили, что для движения к оптимуму в основном достаточна линейная модель. Для трехфакторного эксперимента она примет вид:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b13x1,3 (7) Эффект взаимодействия определим для тех факторов, которые имеют максимальное влияние на процесс. Для этого составим таблицу планирования многофакторных экспери ментов;
Как показывают значения коеффициентов, мощность для выполнения технологи ческого процесса максимально зависит от скорости выполнения технологического процесса и сопротивления почвы на фрезерование. Исходя из этого эффект взаимодействия между Итог, yi Обозна- ( # X X1 X Niквт) эксп. чение X1X - c 1 _ _ + 2, + b 2 _ + _ 2, - a 3 + _ _ 2, + abc 4 + + + 2, + (1) 5 _ _ _ 2, - bc 6 _ + + 2, + ac 7 + _ + 2, - ab 8 + + _ 2, фрезой и скоростью движения агрегата X1X3 т.е.
2, 233 + 2, 086 2, 223 + 2, 465 + 2,107 2, 447 + 2, 461 2, = 0, 0006 квт b4 = Эффект взаимодеиствия так мал, что его значением можно пренебречъ и уравнение регресии будет иметь вид:
y = b0 +b1X1 + b2X2 + b3X3 = 2,293 + 0,022 X1 + 0,024 X2 + 0,134 X Определим среднеквадртическое отклонение и среднеквадратическую ощибку:
N ( y y) i 0, S = 0,091 = 0,3 ;
S{2y} = = = 0, 091 ;
i = n 1 Проверку достоверности расчетов проводим согласно критерия Стюдента t,. итак, результатами экспериментов потверждается, что созданный согласно теоретическим и конструктивным расчетам мотоблочный агрегат для двухслойной обработки почвы, полностью удовлетворяет агротехнические и энергетические требования технологического процесса.
Проверяем модель на адекватность. Гипотеза адекватности проверяется критерием Фишера F по формуле:
S F = адек.
S{2y} YПо проведенным расчетам F =0,055. Итак, выполнено требование критерия Фишера об адекватности модели Для проверки коэффициента уровнения регресии применяется дисперсия регресии S {bi} = 0,091 и квадратичная ошибка коэффициента регресии S{bi} = 0,3. Доверительный интервал определяется по формуле: bi = ± t S{bi} = ±2,37 0,3 = ±0,71 т.е.верхняя граница доверительного интервала равна 3,003квт. А нижняя 1,583квт. Итак, необходимая мощность для выполняемой агрегатом работы, размещена в границах доверительного интервала.
В щестой главе, с целъю подтверждения рентабельности применения эксперимен тального агрегата, проведен сравнительный экономический расчет комбинированного агре гата с технологическим комплексом машин существующей технологии.
Разница между существующей и предложенной технологиями заключается в выполнении операции первого цикла - основной и предпо-севной обработки почвы и посева..
По этому, расчет сравнительного экономического эффекта этого цикла проведем для обеих технологий. Для решения этой задачи составим технологическую карту этого цикла для обеих технологий (таблица 6).
Таблица Наименование технологического процесса Состав агрегата Расходы на # MПроизводитедьность вып. техн.
Мотоблок с/х орудие Часовая Сменная Л.
га/час Hга/см Существующая технология основной, предпосевной обработки почвы и посева 1 2 3 4 5 6 фреза Nлущение стерни 1. 0.15 1,05 34, Mмб- тележка Mвнесение мин. Удобр.
2. 0,17 1,12 25, Mмб- пахота на глуб. 20-22см Плуг 1к.
3. 0,04 0,28 115, Mмб- Культивация на глубине 10-12 см фреза 5. 0,06 0,42 50, Mмб- 1 2 3 4 5 6 Посев с прикатыванием сеялка 6. 0,1 0,7 30, Mмб- всего 256, Опперации I цикла предложенной технологии Внесение удобрений тележка 1 0,17 1,12 25, `супер 610~ Двухслойная обработка почвы, заделка Эксперим. 0, `супер - 0,35 65, 2.
удобре-нии, посев и прикаты-вание комбинир.
610~ агрегат всего 90, AПо существующуй технологии, в ыполнение на 1,25 га технологических операций первого цикла обходигся в 256,37 лари, а по предложенной технологии - 90,74 лари, т.е.
балансовая прибыль составляет PPP = 256,37 – 90,74 = 165,63 лари.
что на каждый гектар составляет 132,5 лари.
Итак, двухслойная обработка почвы комбинированным мотоблочным агрегатом оправданое не и только по агротехническим требованиям, но и по экономическим соображениям дает значительную прыбыль - 132,5 лари/га.
Обшие выводы 1. Применение существующих высоких технологий возделывания сельскохо зяственных культур в малых фермерских хозяйствах без учета современных условий нерентабельно, а в некоторых случаях и невозможно;
2. Из-за малых объемов работ и сложной конфигурации участков в малых фермерских хозяйствах целесообразно сочетание высоких машинных технологий с ручным трудом;
3. Специфика производства сельскохозяйственных культур в малых фермерскихих хозяйствах дает возможность исключить из технологий некоторые энергоемкие операции (пахота), только в долгосрочной технологии через каждые 5-6 лет необходимо предусмотреть глубокую 30-35см обработку почвы.
4. В малых фермерских хозяйствах целесообразно применение комплексных тех нологий и агрегатов. Предложенные нами высокие техннологии возделывания и уборки зерновых, совместных посевов кукурузы и фасоли и картофеля предусмаеривают макси мальное применение комплексных агрегатов, уменьшение механического воздействия на почву и улучшение ее структуры, внедрение системы минимальной обработки.почвы.
5. Из-за малых объемов работ и сложной конфигурации участков в малых фер мерских хозяйствах целесообразно применение тракторов класса 2 кн, мотоблоков и мотокультиваторов.
6. Для малых фермерских хозяйств подбор оптимального комплекса машин существующими методами оптимизации невозможен, так-как ограничена номенклатура и количество применяемых машин и невозможно достич нормативной нагрузки средств тяги в условиях одного хозяйства.
7. Для малых фермерских хозяйств подбор оптимального комплекса машин необхо димо провести при помощи бизнес-плана, методом минимизации общих расходов;
8. В малых фермерских хозяйствах при основной и предпосевной обработке почвы целесообразно применить предложенный нами агрегат двухслойной обработки почвы;
9. При выполнении рациональных, высоких машинных технологий преимущество дается комбинированным агрегатам;
10. С применением элеметов теории удара и реологии выведены расчетные формулы кинематических, геометрических, силовых и энергетических параметров комбинированной почвообрабатывающей машины, которые подтверждают преимущество сочетания активных и пасивных рабочих органов в агрегате двухслойной обработки почвы.
11. По результатам экспериментов:
- агротехнические показатели работы мотоблочного агрегата двухслойной обработки почвы максимально удовлетворяют агротехнические требования процесса;
- развиваемая мотоблоком мощность дает возможность укомплектовать агрегат сеялкой, что расширяет его комплектность и увеличивает экономичность;
- согласно регресивному анализу мощность, необходимая для работы техноло гического агрегата размещается в доверительном интервале.
12.. Согласно бизнес-плану экономический эффект предложенной технологии в масштабах хозяйства составляет 3503,6 лари, из которых на долю агрегата двухслойной обработки почвы приходится 132,5 лари/га.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях 1. Карло Торикашвили, Григорий Читаиа, Нино Бурдули, Коба Торикашвили Определение эксплуатационных расходов мотоблочного агрегата. // Вестник академи сельскохозяйственных наук, #12, Тбилиси, 2004, ст. 260- 2. Махароблидзе Р. М., Чаракашвили Г.Г., Торикашвили К.К., Бенашвили М.О.
Обоснование критической скорости фрезерования почв // Проблемы прикладной механики, №1(14), Тбилиси, 2004, с. 57- 3. Махароблидзе Р.М., Чаракашвили Г.Г., Торикашвили К.К., Бенашвили М.О.