Обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора
На правах рукописи
ЛЯХОВ АНТОН ПАВЛОВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПРОПАШНОГО
КУЛЬТИВАТОРА
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства (по техническим наук
ам)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ставрополь – 2009
Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные машины»
Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: заслуженный изобретатель РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Руденко Николай Ефимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Малиев Владимир Хамбиевич доктор технических наук, профессор Каскулов Мусабий Хабасович
Ведущая организация: Новокубанский филиал Федерального госу дарственного научного учреждения «Россий ский научно-исследовательский институт ин формации и технико-экономических исследо ваний по инженерно-техническому обеспече нию агропромышленного комплекса» (ФГНУ «Росинформагротех») – КубНИИТиМ
Защита диссертации состоится «_» 2009 г. в _ часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.062.05 при ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» по адресу: 355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Ставро польский государственный аграрный университет», с авторефератом диссер тации на официальном сайте ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»: http://www.stgau.ru
Автореферат разослан «» 2009 г. и размещен на офици альном сайте http://www.stgau.ru «» 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент В. И. Марченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Процесс ухода за посевами пропашных культур включает две-три междурядные обработки с целью создания оптимальных условий для роста и развития растений.
Однако применяемые в настоящее время культиваторы не в полной мере обеспечивают выполнение агротехнических требований, предъявляемых к междурядной обработке.
Работа выполнена в рамках Государственной программы развития сель ского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 годы (раздел «Техническая и техноло гическая модернизация сельского хозяйства»), утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.
Цель исследования – обоснование конструктивно-технологических пара метров рабочих органов пропашного культиватора, обеспечивающих сохране ние почвенной влаги и стабилизацию хода агрегата.
Объект исследования – технологический процесс культивации пропаш ных культур.
Предмет исследования – закономерности крошения (измельчения) ком ков почвы, выравнивания поверхности и стабилизации хода культиватора при междурядной обработке.
Методика исследования включала: теоретические исследования процес са крошения почвы и стабилизации поперечных колебаний пропашного куль тиватора с использованием методов классической механики и математическо го анализа;
экспериментальные исследования с применением современно го тензометрического оборудования, методов планирования многофакторно го эксперимента, оценки адекватности и достоверности полученных результа тов, определения экономической эффективности.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса кроше ния комков почвы ударным воздействием при наличии опорного элемента.
Определена критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы. Получена эмпирическая регрессионная модель, устанавливаю щая взаимосвязи между основными параметрами двухъярусного катка секции пропашного культиватора и качественными показателями его работы.
На основе исследований предложены комбинированные рабочие орга ны, новизна которых подтверждена патентами на полезную модель № 71503, № 78625 и решением ФИПС от 12.12.2008 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007127702/11(030164).
Практическая значимость работы. Предложенные аналитические зависи мости и методика расчета могут быть использованы при проектировании ком бинированных почвообрабатывающих рабочих органов и расчете конструктив ных параметров стабилизирующих элементов пропашных культиваторов.
На защиту выносятся следующие положения:
перспективная технологическая и конструктивная схемы комбиниро ванного почвообрабатывающего устройства;
математическая модель процесса крошения почвы;
конструкция стабилизатора хода пропашного культиватора;
результаты экспериментальных исследований по обоснованию опти мальных параметров рабочих органов;
результаты сравнительных полевых исследований предложенных тех нических и технологических решений и их экономическая оценка.
Апробация работы. Основные результаты исследований изложены и ре комендованы к публикации на научных конференциях СтГАУ (г. Ставрополь, 2008…2009 гг.), ОГАУ (г. Орел, 2008 г.), во Всероссийском смотре-конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, АЧГАА (г. Зерноград, 2008 г.), финале этого конкурса в МГАУ им. В. П. Горяч кина (г. Москва, 2008 г.).
Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований и эскизный проект на комбинированный каток приняты ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМ СЕЛЬМАШ» для изготовления опытной партии и внедрения в производство.
Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе 1 – в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ, 2 патента на полезную модель и положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из вве дения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 103 наиме нования, из которых 4 на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 27 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, цель работы, предмет и объ ект исследования. Показана научная новизна, практическая ценность и апро бация работы, реализация результатов исследований, изложены основные на учные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследований» при веден краткий анализ технологий и средств механизации междурядной обра ботки пропашных культур. Дана техническая характеристика существующих моделей пропашных культиваторов, описаны рабочие органы, комплектую щие культиватор.
По результатам анализа научных работ Н. В. Бугайченко, М. Н. Летошне ва, Н. Е. Руденко, П. Е. Никифорова, И. М. Панова, В. А. Сергеенко, Н. З. Ми лашенко, В. И. Шемякина, Н. И. Кленина и др. выявлены основные недостат ки рабочих органов пропашных культиваторов и определены направления ис следований для их устранения.
Применяемое копирующее колесо секции культиватора однооперационно.
Оно не обеспечивает крошение находящихся на поверхности поля комков по чвы. При попадании колеса на них или в бороздки изменяется глубина обра ботки, повышается вариабельность этого показателя.
Применяемые на культиваторах стрельчатые лапы эффективно осущест вляют подрезание сорняков. Однако они имеют существенные недостат ки: выносят на поверхность влажную почву, образуют бороздки глубиной до 50...60 мм, отбрасывают почву в стороны, создавая гребнистую поверхность, что увеличивает площадь испарения. При увеличении скорости движения бо лее 7,5...8,0 км/ч существенно возрастает количество подрезаемых культур ных растений.
Исходя из анализа литературных источников и в соответствии с поставлен ной целью сформулированы задачи исследований:
1. На основе анализа конструкций пропашных культиваторов и техноло гий междурядной обработки выявить основные направления их совершен ствования.
2. Теоретически обосновать технологические и конструктивные параме тры рабочих органов, эффективно крошащих комки почвы и создающих вы ровненную поверхность.
3. Уточнить физико-механические и технологические свойства почвы, вли яющие на процесс крошения комков и выравнивания поверхности почвы.
4. Разработать математическую модель процесса крошения комков почвы.
5. Экспериментально исследовать взаимосвязь конструктивно-технологи ческих параметров и силовых характеристик рабочих органов.
6. Разработать и изготовить рабочие органы, обеспечивающие оптималь ную структуру верхнего слоя почвы.
7. Провести полевые исследования технического решения, обеспечиваю щего стабилизацию хода культиватора при междурядной обработке.
8. Определить технико-экономическую эффективность применения про пашного культиватора с обоснованными рабочими органами.
Во второй главе «Теоретические исследования» рассмотрен процесс кро шения комков почвы при статическом и динамическом воздействии.
В результате статического взаимодействия рабочего органа и комка почвы имеем G = m g m a = m (g a ), Н, (1) где G – вес рабочего тела, Н;
m – масса рабочего тела, кг;
а – ускорение комка почвы, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2 (9,81).
Если при обработке комки почвы остаются в покое: а = 0, тогда G = m g. (2) При динамическом воздействии (ударе) кинетическая энергия ударяющего тела переходит в потенциальную энергию деформации комков почвы и сооб щения ему скорости. Если масса тела, которое ударяет, m, а масса комков по чвы mК, то кинетическая энергия, затрачиваемая на деформацию, определит ся из выражения ( m mК ) (V1 VК ) T = (1 K 2 ), Дж, (3) 2 (m + mК ) где V1 – скорость ударяющего тела, м/с;
VК – скорость комка почвы, приобретаемая им при ударе, м/с;
К – коэффициент восстановления комка почвы при ударе.
Если комки почвы при ударе остаются неподвижными:VK = 0, тогда ( m mК ) V T = (1 K 2 ), Дж. (4) 2 ( m + mК ) Как видно из формул (2) и (4), максимальное воздействие на комки почвы происходит тогда, когда комок после воздействия остается в неподвижном со стоянии, не приобретая ускорения. Следовательно, под комком почвы необхо димо размещение опорного элемента.
На основании проведенного анализа предложено комбинированное по чвообрабатывающее устройство, состоящее из следующих рабочих органов:
двухъярусного катка и Т-образной лапы (рис. 1).
а – каток двухъярусный;
б – лапа Т-образная;
в – схема компоновки и взаимодействия рабочих органов;
1 – каток наружный;
2 – каток внутренний;
3 – диски вертикальные наружного катка;
4 – ребра;
5 – нож плоский;
6 – стойка лапы;
7 – комок почвы Рисунок 1 – Комбинированное почвообрабатывающее устройство Внутри наружного катка 1 свободно размещен гладкий пустотелый каток 2, он выполнен из толстостенной трубы с закрытыми торцами.
Т-образная лапа (б) состоит из плоского ножа 5, закрепленного на стой ке 6. Она располагается под катком, что обеспечивает подпор комков почвы при воздействии на них двухъярусного катка.
Технологический процесс взаимодействия рабочих органов с почвой осущест вляется следующим образом. В процессе движения Т-образная лапа заглубляется в почву и подрезает сорняки. Комки почвы разрушаются двумя способами.
Первый (I): часть комков 7, находящихся под ребрами 4 наружного катка 1, вдавливаются ими в почву и разрушаются, попадая в зазор между ребром и Т-образной лапой 5. Ребра 4 наружного катка 1 являются действующим эле ментом, а Т-образная лапа – противодействующим, опорным.
Второй (II): комки почвы, которые проходят между ребрами 4, поступают во внутреннее пространство наружного катка 1, где попадают под воздействие внутреннего катка 2. Он является действующим элементом, а ребра наружно го катка – противодействующим.
Т-образная лапа оказывает фронтальное воздействие на почву, что сущест венно снижает её отбрасывание.
Учитывая характер взаимодействия рабочих органов с почвой, теоретиче ски обоснованы их конструктивные параметры.
Угол крошения определяется из условия скольжения почвы по поверхно сти лапы:
К = д. (1 – Ктн), (5) где д – угол динамического трения почвы по поверхности лапы, град.;
Ктн – коэффи циент надежности технологического процесса, Ктн = 0,3.
Ширина лапы:
вл = вм 2 вол 2 взз + 2 вп, (6) где вл – ширина захвата Т-образной лапы, м;
вм – ширина междурядья, м;
вол – ширина захвата односторонней лапы, м;
взз – ширина защитной зоны, м;
вп – величина перекрытия лап, м.
Ширина катка:
вк = 0,85вл. (7) Просвет между ребрами катка вр должен быть больше или равен макси мальному размеру комков почвы, находящихся в междурядье. При культива ции комки почвы попадают во внутреннюю полость наружного катка. Ребра, выполненные из круглозвенной цепи, предотвращают возможное заклинива ние комков и камней между ребрами и улучшают сцепление катка с почвой.
Для обеспечения выравнивания поверхности почвы ребра расположены под углом р, который определяется по формуле р = д. (1 + Ктн). (8) Исходя из максимальных размеров комков почвы, лежащих на поверхно сти поля в период культивации, и условия перекатывания диаметр наружного катка dk определяется из неравенства +В dk dnk ctg 2 ст max, (9) max где dnk – максимальный диаметр комков почвы, находящихся на поверхности поля в период проведения культивации, мм;
ст – угол статического трения почвы по поверх ности катка, град.;
в – угол внутреннего трения почвы, град.
Внутренний каток не должен перекатываться через комки почвы, требую щие крошения, обеспечивая их разрушение ударом. Следовательно, выраже ние 9 примет вид + В dkв dnk ctg 2 ст min, (10) min где dkв – диаметр внутреннего катка, мм;
dnk – минимальный диаметр комков почвы, требующих крошения, мм.
При попадании комка под ребра наружного катка на него действуют силы:
вес секции культиватора G и реакция опоры (реакция лапы) RЛ (рис 2). Вер тикальная составляющая реакции лапы RЛУ обеспечивает эффективный под пор комка почвы.
Рисунок 2 – Схема сил, действующих на комок почвы На каток действует сила тяги трактора FТ, направленная под углом накло на звеньев параллелограммной навески секции культиватора к горизонтали.
Сила Q, действующая на комок:
Q = G FТВ = mс g FT sin, Н, (11) где FT – сила тяги трактора, Н;
mс – масса секции культиватора, кг;
– угол наклона зве ньев параллелограммной навески секции к горизонтали, град.
Разрушающее усилие внутреннего катка характеризуется импульсом силы:
S = F · У, (12) где S – импульс силы, Н·с;
F – сила удара, Н;
У – время удара, с.
Усилие воздействия катка на комок почвы складывается из двух составля ющих: окружной силы FО и нормальной силы FN (рис. 3).
Рисунок 3 – Схема сил взаимодействия внутреннего катка с комком почвы При движении культиватора наружный каток перекатывается по поверхно сти почвы, а внутренний каток – по ребрам наружного. Под действием силы сцепления FСЦ внутренний каток приподнимается на некоторый угол до того У момента, пока составляющая силы тяжести внутреннего катка GВ не заста вит его скатываться вниз:
GВ = mg sin, Н, У (13) где m – масса внутреннего катка (рабочего тела), кг.
Скатываясь вниз, внутренний каток ударяет по комку с силой FN. Дополни тельное воздействие на комок почвы оказывает окружная сила FО, возникаю щая вследствие вращения внутреннего катка. Выразив и подставив значения сил FN и FО в выражение 12, получим m (V VK ) V2 d (1 K ) У m g fСЦ + m S= fСЦ fд nk, (14) 2 dnк 4 rКВ V где V – скорость движения культиватора, м/с;
VК – скорость комка почвы, приобрета емая им в результате удара, м/с;
dпк – диаметр комка почвы, м;
К – коэффициент вос становления комка почвы при ударе;
У – коэффициент, учитывающий снижение силы вследствие непрямого удара, зависит от соотношения диаметров ударяющихся тел;
rкв – радиус внутреннего катка, м;
fСЦ – коэффициент сцепления поверхностей катков, fСЦ = tg.
Поскольку во время удара комок почвы имеет опору в виде ребра наруж ного катка, ему не сообщается ускорение, при этом VК = 0, тогда уравнение примет вид mV 2 V2 d (1 K ) У m g fСЦ + m S= fСЦ fд nk. (15) 2 dnк 4 rКВ V Из уравнения 15 видно, что импульс силы зависит от массы катка m и ско рости движения культиватора V.
Ввиду того, что Т-образная лапа выполнена в форме плоского ножа, про цесс схода растительных остатков с лезвия лапы может быть затруднен. Эф фективная очистка лапы обеспечивается ее взаимодействием с уплотненной почвой, создаваемой катком и ребрами наружного катка, двигающимися по траектории удлиненной циклоиды.
Для обеспечения стабилизации хода культиватора предложено заменить стандартные опорно-приводные колеса с пневматическими шинами дисковы ми колесами-стабилизаторами (рис. 4).
а – общий вид;
б – в работе Рисунок 4 – Дисковое колесо-стабилизатор Колесо-стабилизатор изготавливается из листовой стали толщиной 10 мм и устанавливается на стандартную ступицу культиватора.
Возникающие боковые усилия, смещающие культиватор при случай ном повороте передних колес трактора и разности суммарного сопротивле ния почвы слева и справа от навесного устройства, необходимо компенсиро вать реакцией бокового смятия почвы, возникающей на дисковых колесах стабилизаторах, погруженных в почву. Исходя из условия равновесия культи ватора в поперечной плоскости рассчитывается требуемая компенсирующая площадь одного дискового колеса-стабилизатора В FT sin П OE + P 2, м2, SС = (16) 2 в KУ где FT – тяговое усилие, Н;
П – угол поворота передних колес трактора, град.;
ОЕ – рассто яние от передней оси трактора до рамы культиватора, м;
Р – разница сил сопротивления почвы левой и правой частей культиватора, Н;
В – ширина захвата культиватора, м;
в – вы нос оси дискового колеса-стабилизатора относительно рамы культиватора, м;
КУ – удель ное сопротивление почвы, Па.
В третей главе «Методика экспериментальных исследований» описа на общая методика экспериментальных исследований и частные программы экспериментов, дается перечень оборудования и приборов, используемых для проведения опытов.
Представлена методика определения фрикционных свойств почвы при по мощи лабораторной установки «Трибометр», методика определения влажно сти полевых образцов почвы. Описаны методики изучения фракционного со става почвы перед и после междурядных обработок.
Изложена методика опыта по определению влияния размеров частиц верх него мульчирующего слоя на влагозадерживающую способность почвы. В одинаковые емкости помещают почву, доведенную до НВ = 27 %. Поверх влажного слоя засыпают мульчирующий слой разного фракционного соста ва толщиной 40 мм. В одном из образцов делают бороздку в верхнем слое до увлажненной почвы. В течение десяти суток образцы взвешивают для опреде ления количества испарившейся влаги и влажности почвы.
Предложена методика определения усилия, приводящего к разрушению комка почвы и крошению его до требуемого фракционного состава при стати ческом и динамическом воздействии. Для определения нагрузок, разрушаю щих комок почвы, разработана лабораторная установка (рис. 5).
1 – станина;
2 – груз;
3 – направляющие стойки;
4 – разметка высоты установки;
5 – предметная площадка;
6 – комок почвы;
7 – тензометрический датчик силы;
8 – винтовой пресс;
9 – тензометрический датчик перемещения;
10 – блок преобразования;
11 – ноутбук Рисунок 5 – Установка лабораторная для определения динамических (а), статиче ских (б) нагрузок, разрушающих комок почвы Груз 2 массой 1 кг свободно перемещается по направляющим стойкам (а), при этом на стойках нанесена метрическая разметка, указывающая перво начальную высоту установки груза. В варианте б установка оснащается вин товым прессом 8. Предметная площадка 5 размещена на чувствительной по верхности тензометрического датчика 7. Перемещение винтового пресса фик сируется датчиком перемещения 9.
Предел измерения тензометрических датчиков силы 1000 Н, а перемеще ния – 50 мм. Порог чувствительности тензометрического датчика 0,01 Н, пе ремещения – 0,01 мм, частота измерений 100 кГц. Сигнал, воспринимаемый датчиками, поступает в блок преобразования 10, который, в свою очередь, со гласует работу датчика с программным обеспечением DCS-100A.
Программное обеспечение позволяет определять импульс силы, требу емый для крошения комка до заданного фракционного состава, нормальное напряжение и скорость его распространения при динамическом воздействии, усилие разрушения комка и коэффициент относительного сжатия при стати ческом нагружении.
Описана методика исследования силовых характеристик двухъярусного катка. Для проведения исследований была разработана лабораторная установ ка «Привод двухъярусного катка» (ПДК) (рис. 6). От приводной станции 1, со стоящей из электродвигателя постоянного тока и редуктора, крутящий момент посредством цепной передачи передается на подшипниковый узел, на валу ко торого консольно закреплен двухъярусный каток.
Приводная станция 1 имеет электрический шкаф управления 2, позволяю щий осуществлять пуск и остановку электродвигателя, менять направление его вращения и бесступенчато изменять частоту вращения в широких пределах.
1 – приводная станция;
2 – электрический шкаф управления;
3 – наружный ка ток;
4 – внутренний каток;
5 – датчик силы «UMM-K50»;
6 – скоростная видеокамера «TroubleShooter – TS250CE»;
7 – тензометрическая станция;
8 – ноутбук Рисунок 6 – Лабораторная установка ПДК Последовательность выполнения эксперимента следующая: во внутренний полости наружного катка 3 размещается внутренний каток 4. Внутренний ка ток в боковой стенке имеет закрывающееся отверстие, позволяющее заполнять внутреннюю полость балластом (песком), масса катка контролируется на элек тронных весах «MASSA-K», Мк2.790.053 РЭ. Установка запускается, обеспечи вая требуемое направление вращения катка. Частота его вращения регулируется рукояткой ЛАТРа и отражается на дополнительной шкале вольтметра. Тензоме трический датчик 5 передает сигнал о силе и частоте ударов внутреннего катка на тензометрическую станцию 7, на экране ноутбука 8 отражается силограмма зависимости этих величин. Одновременно происходит скоростная видеосъемка при помощи камеры 6, управляемой с ноутбука 8. Скорость записи 250 кадров в секунду позволяет в дальнейшем определять угловую скорость внутреннего катка и угол сектора, в пределах которого происходят его колебания.
На основании теоретических исследований установлено, что на процесс эффективного крошения комков почвы двухъярусным катком влияют два фак тора: масса внутреннего катка m, кг;
частота вращения наружного катка Тнк, с–1, определяемая рабочей скоростью культиватора V: Т нк = V / dk.
Для определения оптимальных значений факторов, влияющих на процесс крошения комков почвы, проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 22. За критерий оптимизации принимаем импульс силы S, Н·c, обеспечи вающий крошение комка почвы до требуемого фракционного состава.
Результаты выбора основных факторов и уровней их варьирования для эксперимента ПФЭ 22 представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные факторы и уровни их варьирования для двухфакторного эксперимента по исследованию работы двухъярусного катка Факторы частота вращения масса внутреннего катка наружного катка Уровень натуральное кодированное натуральное кодированное обозначение обозначение обозначение обозначение m, кг Х1 Тнк, с–1 Х Верхний 7,5 +1 3,18 + Основной 5,0 0 2,12 Нижний 2,5 –1 1,06 – Для проведения лабораторных исследований почвообрабатывающих рабо чих органов разработана и изготовлена лабораторная установка «Почвенный канал» (рис. 7). Она состоит из электрического шкафа управления 1, приво дной станции 2 и емкости с почвой 3.
1 – электрический шкаф управления;
2 – приводная станция;
3 – емкость с почвой;
4 – подвижная тележка;
5 – параллелограммный механизм навески;
6 – универсальный грядиль;
7 – набор держателей Рисунок 7 – Лабораторная установка «Почвенный канал»
Емкость 1 имеет прямоугольную форму (0,50,5 м), заполненную почвой. Верх ние кромки емкости окантованы уголками и используются как рельсы для передви жения по ней тележки 4. Универсальный грядиль 6 и набор держателей 7 позволя ют устанавливать исследуемые рабочие органы в нужной компоновке, параллело граммный механизм навески 5 обеспечивает копирование поверхности почвы.
Лабораторная установка позволяет испытывать рабочие органы и прово дить сравнительный анализ следующих показателей: коэффициент отбрасы вания почвы;
параметры образованной бороздки;
коэффициент увеличения площади испарения;
удельное сопротивление двухъярусного катка.
Полевые исследования проводятся в соответствии с методикой ФГУ «Ку банская МИС» по ТУ 4732-012-48611500–04.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» пред ставлены результаты проведенных лабораторных и полевых исследований.
Установлено, что в период междурядной культивации посевов про пашных культур в хозяйствах Ставропольского и Краснодарского краев в 2007…2008 гг. влажность верхнего слоя почвы составляет 14,1…16,0 %. (табл. 2).
Таблица 2 – Влажность полевых образцов почвы Слой почвы, см Показатель 0…5,0 5,1…10,0 10,1…15, Средняя влажность, % 14,7 21,0 23, Экспериментально уточнены физико-механические свойства почвы, оказы вающие влияние на процесс её взаимодействия с рабочими органами (табл. 3).
Образцы почвы – Предкавказский чернозем выщелоченный среднегумусный, влажность 14,9 %.
Таблица 3 – Показатели фрикционных свойств почвы Фрикционное свойство почвы Значение Угол трения в покое, п, град 18, Коэффициент статического трения, fст 0, Коэффициент динамического трения, fд 0, Угол внутреннего трения, в, град 33, Коэффициент внутреннего трения, fв 0, Коэффициент восстановления почвы при ударе составляет К = 0,109.
Установлено, что размер комков dnk в зоне междурядий перед культиваци ей не превышает 60 мм.
Оптимальным фракционным составом поверхностного слоя почвы для снижения потерь влаги на физическое испарение являются частицы размером 5…10 мм (рис. 8). Они лучше удерживают почвенную влагу, образуя эффек тивный мульчирующий слой.
Рисунок 8 – График снижения влажности почвы в зависимости от фракционного состава верхнего слоя При меньшем размере частиц интенсивность испарения увеличивается в результате капиллярного поднятия влаги к поверхности испарения. В образ цах с большими размерами комков почвы испарение проходило более интен сивно за счет конвективно-диффузионных процессов. Установлено, что испа рение возрастало при наличии в почве бороздки. Наличие бороздки не толь ко оголяет влажные слои почвы, но и увеличивает площадь испарения, что су щественно ускоряет иссушение почвы. С целью консервации почвенной вла ги необходимо создавать верхний мульчирующий слой почвы толщиной до 40…50 мм с размерами частиц почвы до 10,0 мм. Для уменьшения площади испарения необходимо выравнивать поверхностный слой, исключать наличие борозд и неровностей.
Определена требуемая нагрузка статического воздействия для разрушения комков почвы диаметром до 60 мм (рис. 9).
Рисунок 9 – График зависимости степени крошения комка от прилагаемой удельной нагрузки Удельная нагрузка 1220,8 Н/м (табл. 4) обеспечивает крошение комка на части, 82,2 % которых размером менее 10 мм. При этом содержание эрозион но опасных частиц размером менее 0,25 мм не превышает 3 %. Для разруше ния до требуемого фракционного состава комок достаточно деформировать до 60 % от его диаметрального размера.
Таблица 4 – Статическая разрушающая нагрузка Коэффициент вариации, % Средняя М, Н/м Стандартное отклонение, Н/м 1220,8 24,9 2, При динамических воздействиях разрушение комка до установленной фрак ции достигается приложением к нему импульса силы 1,455 Н. с (табл. 5).
Таблица 5 – Динамический разрушающий импульс силы Стандартное Коэффициент вариации, % Средняя М, Н · с отклонение, Н · с 1,455 0,095 6, Коэффициент относительной деформации (сжатия) для комка почвы = 0,096. Модуль упругости почвы Е = 0,67 МПа.
Скорость распространения нормальных напряжений, приводящих к разру шению комка почвы составляет 11,1…12,2 м/с.
Полученные значения коэффициентов трения почвы, коэффициента вос становления комка почвы при ударе и размерные характеристики комков по чвы в зоне междурядья в период культивации позволяют рассчитать конструк тивные параметры рабочих органов: угол крошения Т-образной лапы к = 10°;
угол наклона ребер наружного катка р = 20°;
расстояние между ребрами вк = 60 мм;
диаметр наружного катка dk = 300 мм, внутреннего dkв = 80 мм.
В результате обработки данных ПФЭ 22 составлена статистическая мате матическая модель процесса:
в кодированном виде: Y = 1,597 + 0,136 X 1 + 0,091X 2 ;
(17) в натуральном виде: Y = 1,143 + 0,0544m + 0,0858T nk. (18) Полученное уравнение регрессии устанавливает зависимость между кри терием оптимизации – импульсом силы, обеспечивающим крошение комка почвы до требуемого фракционного состава, и факторами: массой внутренне го катка m и частотой вращения наружного катка Tnk.
С помощью критерия Кохрена была проведена оценка однородности дис персии. С помощью критерия Стьюдента проверена гипотеза о значимости ко эффициентов уравнения регрессии. Установлено, что коэффициент b12 явля ется незначимым. Адекватность математической модели проверена по крите рию Фишера. Установлено, что полученная математическая модель адекватна.
Для выполнения расчетов была использована программа «Mathcad 14».
Установлено, что частота вращения наружного катка является более зна чимым фактором, оказывающим воздействие на параметр оптимизации.
Используя адекватную математическую модель, геометрической интер претацией которой является поверхность отклика (рис. 10а), были построены изолинии сечения поверхности отклика (рис. 10б) с использованием програм мы «STATISTIСA-V7».
У – импульс силы внутреннего катка, Н. с У – импульс силы внутреннего катка, Н. с X2 – частота вращения наружного катка, с– г а, к X атк на 2 – ча ок нег ру жн стот ен тр ог а в ну о к ра ав X1 – масса внутреннего катка, кг атк ще асс а, ния –м с – X а б а – поверхность отклика;
б – изолинии сечения поверхности отклика Рисунок 10 – Графическая интерпретация уравнения регрессии По построенным изолиниям сечения поверхности отклика установлено, что оптимальной для внутреннего катка является масса 4,2 кг. Такая масса обеспечивает эффективное крошение комков почвы в диапазоне рабочих ско ростей культиватора от 2 до 3 м/с. При скорости движения культиватора, рав ной 2 м/с, и массе катка 4,2 кг импульс силы удара наружного катка составляет 1,475 Н · с, что является достаточным для эффективного крошения. Рекомен дуемая рабочая скорость движения культиватора составляет 2…3 м/с.
Установлено, что стрельчатая лапа более интенсивно отбрасывает почву, образуя бороздку и создавая невыровненную поверхность (рис. 11).
Рисунок 11 – Профиль поверхности почвы после прохода рабочих органов:
а – стрельчатой лапы с обрезиненным катком (контроль);
б – Т-образной лапы с двухъярусным катком (вариант);
1 – масштабирующий отрезок;
2 – поверхность почвы после обработки;
3 – до обработки В результате лабораторных и полевых исследований определены основные показатели качества обработки почвы рабочими органами (табл. 6). Удельная нагрузка, создаваемая двухъярусным катком, составляет 1635,0 Н/м, что обе спечивает эффективное крошение комков.
Таблица 6 – Показатели качества обработки почвы Показатель Вариант Контроль Установочная глубина обработки, мм 100 Засоренность, шт/м2 11,7 11, Степень подрезания сорняков, % 100,0 100, Глубина образуемой бороздки, мм 10…15 33… Коэффициент отбрасывания почвы 0,11 0, Коэффициент изменения площади испарения 1,13 1, Содержание фракции (%) в верхнем слое:
менее 0,25 мм 1,98 1, 0,25…10,0 мм 82,56 60, 10,1…30,0 мм 11,5 18, 30,1…50,0 мм 3,96 19, Предлагаемые комбинированные рабочие органы обеспечивают более эф фективную обработку почвы по сравнению со стандартным набором (рис. 12).
а б а – обработка Т-образной лапой с двухъярусным катком;
б – обработка стрельчатой лапой с обрезиненным катком Рисунок 12 – Вид поверхности поля после обработки Применение дисковых колес-стабилизаторов позволяет обеспечивать ве личину защитной зоны не менее 50,0 мм (установочное 100 мм), при коэффи циенте вариации 15,8 %. При использовании стандартных опорно-приводных колес с пневматическими шинами минимальное значение защитной зоны до стигает 0 мм, что приводит к подрезанию культурных растений. Коэффициент вариации 52,0 % По результатам измерения тягового сопротивления определено, что данный показатель для Т-образной лапы и двухъярусного катка на 17,4 % больше, чем тя говое сопротивление стрельчатой лапы в паре с обрезиненным катком секции.
На основании проведенных исследований можно утверждать, что примене ние предлагаемых комбинированных рабочих органов существенно повыша ет качественные показатели обработки почвы. Применение опорно-приводных дисковых колес-стабилизаторов обеспечивает стабилизацию хода культиватора, повышение рабочей скорости, исключает подрезание культурных растений.
В пятой главе «Технико-экономическая эффективность пропашного куль тиватора» приведены расчеты экономической эффективности, которые пока зывают, что производительность предлагаемого культиватора возрастает на 28,8 %, степень снижения эксплуатационных затрат 2,6 %. Дополнительные капитальные вложения на культиватор составили 29700 руб., срок окупаемо сти затрат не превышает 1,9 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Применяемые пропашные культиваторы для междурядной обработки не в полной мере отвечают предъявляемым агротехническим требованиям. Использу емые на культиваторах стрельчатые лапы выносят на дневную поверхность влаж ную почву, образуют бороздки, оголяя дно, отбрасывают почву, что способству ет интенсификации испарения почвенной влаги. В процессе работы культивато ра возникают боковые силы, вызывающие его смещение в поперечной плоскости и подрезание культурных растений. Требуется улучшение качественных показа телей работы культиватора за счет применения более эффективных способов воз действия на почву и создания стабилизирующих ход культиватора элементов.
2. Предложен комбинированный рабочий орган, состоящий из двухъярусно го катка и Т-образной лапы, расположенной под катком. Такая конструкция обе спечивает крошение комков почвы посредством стесненного удара и стеснен ного сжатия. Теоретически обоснованы параметры предлагаемых рабочих ор ганов: ширина захвата лапы Вл= 0,23 м;
угол крошения лапы к = 10°;
ширина катка вк= 0,2 м;
диаметр наружного катка dk = 300 мм;
внутреннего – dkв = 80 мм;
просвет между ребрами наружного катка – 60 мм;
угол наклона ребер – 20.
3. Уточнены физико-механические и технологические свойства почвы: ко эффициент статического трения почвы по стальной поверхности fст = 0,33;
ко эффициент динамического трения fд = 0,27;
коэффициент внутреннего трения fв = 0,67;
коэффициент восстановления комка почвы при ударе К = 0,109. Сред няя влажность поверхностного слоя почвы в период культивации составляет 14,7 %, при этом диаметр комков в верхнем слое почвы не превышает 60 мм.
В результате экспериментальных исследований установлено, что с целью со хранения почвенной влаги необходимо создавать верхний мульчирующий слой почвы толщиной до 40…50 мм с размерами частиц почвы до 10,0 мм.
4. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы на ружным и внутренним катками во взаимодействии с лапой. На основании мате матического моделирования установлено, что определяющими факторами эф фективного крошения почвы являются масса внутреннего катка m и рабочая скорость движения культиватора V. В результате лабораторных исследований определены оптимальные значения определяющих факторов: масса внутренне го катка m = 4,2 кг и рабочая скорость культиватора V – от 2 до 3 м/с.
5. Экспериментально установлено, что для разрушения комков почвы при статическом воздействии необходимо и достаточно приложить к комку усилие в 1220,8 Н/м. При динамических воздействиях разрушение комка достигает ся приложением к комку импульса силы в 1,455 Н · с. Установлено, что крити ческая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы со ставляет 11,1…12,2 м/с.
6. Разработанные рабочие органы обеспечивают эффективное крошение комков почвы, создание верхнего мульчирующего слоя со средним содержа нием частиц почвы до 10 мм не менее 82,6 %. При этом глубина образуемой бороздки после прохода лапы вв = 12,0 мм, коэффициент отбрасывания почвы КО = 0,11, коэффициент увеличения площади испарения КИ = 1,13. В контроль ном варианте вв = 43,0, КО = 0,29, КИ = 1,30.
7. Для обеспечения стабилизации хода культиватора предложено исполь зовать дисковое колесо-стабилизатор. В основе его действия лежит уравно вешивание сил бокового смещения культиватора сопротивлением почвы смя тию. Конструктивные параметры дискового колеса-стабилизатора обоснова ны теоретически и проверены экспериментально: диаметр колеса D = 700 мм;
требуемая глубина погружения для обеспечения стабилизации h = 0,096 м.
При этом боковая площадь сопротивления смятию – 0,0322 м2. Минимальная защитная зона составляет 50,0 мм, что гарантирует исключение подрезания культурных растений. В контроле защитная зона уменьшается до 0, что при водит к подрезанию.
8. Проведен расчет технико-экономических показателей эффективности пред лагаемого культиватора с новыми рабочими органами. Рост производительности машины в сравнении с базовым вариантом – 28,8 %, дополнительные капиталь ные вложения на культиватор – 29700 руб., срок окупаемости затрат – 1,9 года.
9. Результаты исследований и конструкторская документация на комби нированные рабочие органы были переданы в фирму ОАО «СТАВРОПОЛЬ РЕМСЕЛЬМАШ» для внедрения в производство. Акт внедрения прилагает ся, разработка защищена патентами на полезную модель № 71503 и № 78625.
По заявке № 2007177702/11(030164) получено положительное решение о вы даче патента на изобретение.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Руденко, Н. Е. Что лучше раскрошит комок почвы [Текст] / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, А. П. Ляхов // Сельский механизатор. – 2008. – № 5.– С. 26–27 (соиска тель – 60 %).
Патенты 2. Патент № 71503. Российская Федерация, МПК А 01 В 39/08. Культиватор пропаш ной влагосберегающий [Текст] / Руденко Н. Е., Топалов К. М., Кулаев Е. В., Ляхов А. П., Пятунин А. А. ;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО СтГАУ. – № 2007127700/22 ;
заявл. 19.07.2007 ;
опубл. 20.03.2008, Бюл. № 8. – 3 с. (соискатель – 50 %).
3. Патент № 78625. Российская Федерация, МПК А01В 33/00. Культиватор па ровой модульный [Текст] / Руденко Н. Е., Кулаев Е. В., Ляхов А. П. ;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО СтГАУ. – № 2008114955/22 ;
заявл. 14.04.2008 ;
опубл.
10.12.2008, Бюл. № 34. – 3 с. (соискатель – 60 %).
4. Решение ФИПС № 12-34-86 от 12.12.2008 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007127702/11(030164) от 19.07.2007. Каток комбинированного почвообраба тывающего агрегата / Руденко Н. Е., Зайцев Д. К., Кулаев Е. В., Ляхов А. П. ;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО СтГАУ (соискатель – 50 %).
Публикации в других изданиях 5. Руденко, Н. Е. Стабилизация хода культиватора при междурядной обработке про пашных культур [Текст] / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, А. П. Ляхов // Земледелие. – 2008. – №8. – С. 29. (соискатель – 60 %).
6. Руденко, Н. Е. Ресурсосберегающий модульный паровой культиватор [Текст] / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, А. П. Ляхов // Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК : сб. материалов Международ ной научно-практической Интернет-конференции, ОГАУ. – Орел, 2008. – С. 64. (соис катель – 60 %).
7. Руденко, Н. Е. Лабораторная установка для исследования почвообрабатывающих рабочих органов [Текст] / Н. Е. Руденко, А. П. Ляхов // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе : сб. научных трудов по материалам IV Российской научно-практической конференции, СтГАУ. – Ставрополь, 2007. – С. 336–341 (соискатель – 80 %).
8. Руденко, Н. Е. Оценка качественных показателей рабочих органов пропашно го культиватора [Текст] / Н. Е. Руденко, А. П. Ляхов // Актуальные проблемы научно технического прогресса в АПК : сб. научных статей по материалам III Международ ной научно-практической конференции, СтГАУ. – Ставрополь, 2008. – С. 177–182 (со искатель – 80 %).
9. Ляхов, А. П. Технико-экономическая эффективность влагосберегающего про пашного культиватора со стабилизацией хода [Электронный ресурс] / А. П. Ляхов // Научный журнал КубГАУ. – Краснодар : КубГАУ, 2009. – № 46(2). – Шифр Информре гистра: 0420900012/0018. – Режим доступа : http://ej.kubagro.ru/2009/02/pdf/03.pdf Подписано в печать 21.08.2009. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0.
Гарнитура «Таймс». Бумага офсетная. Печать офсетная.
Тираж 100 экз. Заказ № 427.
Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302.