Параметры процесса обработки почвы склоновых полей лемешными плугами
На правах рукописи
МАКАРОВА МАРИЯ СТАНИСЛАВОВНА
ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА
ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ СКЛОНОВЫХ ПОЛЕЙ
ЛЕМЕШНЫМИ ПЛУГАМИ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского
хозяйства (по техническим наук
ам)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук Зерноград 2010 2 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном обра зовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово Черноморская государственная агроинженерная академия»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Зацаринный Владимир Андреевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Богомягких Владимир Алексеевич доктор технических наук, профессор Медовник Анатолий Николаевич
Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение «Кубанская государственная зональная машиноиспытательная станция»
(ФГУ «Кубанская МИС») г. Новокубанск
Защита диссертации состоится «16» декабря 2010 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ. 220.001.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА) по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21 (аудитория 201, корпус 5).
Тел./факс (8-86359)-43-3-80.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат разослан «13» ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В процессе возделывания сельскохозяйственных культур почва подвергается различным агротехническим обработкам, в частности вспашке. Агротехнические воздействия призваны создавать оптимальные условия для выращивания сельскохозяйственных культур, но вместе с тем они же могут разрушать почву (приводить к эрозиям различного рода), снижая ее плодородие.
Это противоречие требует специальных мероприятий по поддержанию и восста новлению плодородия почвы, причем затраты на эти мероприятия будут тем меньше, чем меньше разрушается структура почвы. Так как разрушение (эрозия) почвы зависит от способов ее обработки, то актуальны задачи разработки и обос нования мероприятий по предотвращению или сдерживанию эрозии.
Достаточно большая часть полей, используемых в земледелии, расположена на склонах, и, следовательно, на них имеет место механическая эрозия почв, ко торая, как показывает практика, протекает более интенсивно при отвальной сис теме обработки почвы, при работе лемешных плугов. Например, только в Ростов ской области поля с уклоном более трех градусов составляют около 25%. Учиты вая, что на склоновых полях эрозия почвы особенно интенсивна, а вспашка ле мешными плугами приводит к повышению этой интенсивности, то научное обос нование параметров процесса обработки почвы склоновых полей лемешными плугами приобретает особую актуальность.
Цель исследования – научное обоснование параметров процесса обработки почвы склоновых полей лемешными плугами, обеспечивающих уменьшение ее механического сноса.
Объект исследования – почва, представленная типом «Чернозем обыкно венный» склоновых полей и технологический процесс ее обработки лемешными плугами.
Предмет исследования – зависимости процесса механического сноса поч вы склоновых полей от параметров лемешного плуга, скорости и направления об работки.
Научная гипотеза. Объем сносимой почвы на склоновых полях при вспашке лемешными плугами комплексно зависит от угла склона, скорости и на правления движения плуга и его параметров (углов постановки лезвия лемеха к стенке и дну борозды).
Рабочая гипотеза. В зависимости от угла склона, направления движения пахотного агрегата можно установить параметры лемешного плуга и разработать рекомендации по вспашке склоновых полей, обеспечивающие минимально допус тимый снос почвы.
Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа, теоретической механики, аналитической геометрии, сферической триго нометрии, многофакторного и однофакторного экспериментов.
Научную новизну составляют:
- зависимости массы сносимой почвы от характеристик склона и параметров плуга;
- уточненная математическая модель процесса механического сноса почвы при обработке склоновых полей лемешными плугами;
- пределы регулирования эксплуатационных параметров лемешного плуга при его работе на склоновых полях.
Практическая значимость работы заключается:
- в обосновании технологии и режимов обработки почвы черноземов обык новенных на склоновых полях;
- в обосновании параметров лемешных плугов, устанавливаемых перед вспашкой;
- в разработке рекомендаций по вспашке склоновых полей лемешными плу гами.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- полученные и уточненные зависимости механически сносимого объема почвы от характеристик склона и параметров плуга;
- закономерности процесса обработки почвы склоновых полей лемешными плугами, объясняющие физическую взаимосвязь факторов, влияющих на механи ческий снос почвы;
- режимы и технология процесса обработки почвы склоновых полей лемеш ными плугами, их регулируемые параметры и рекомендации для их реализации в сельскохозяйственном производстве.
Реализация и внедрение результатов. Полученные результаты внедрены в ОАО Учхозе «Зерновое» и ИП «Тараненко С.В.» Зерноградского района Ростов ской области.
Апробация работы. Материалы исследований доложены и обсуждались на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, 2000 – 2010г.г.), ФГОУ ВПО СтГАУ (г. Ставрополь, 2007г.), на Международной заочной конференции по проблемам агрокомплекса КрасГАУ (г. Красноярск, 2008г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 статей, из них 2 в рекомендованных ВАК изданиях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разде лов основной части, выводов, списка литературы из 149 наименований и прило жений.
Автор выражает особую благодарность первому научному руководителю доктору технических наук, профессору В.А. Лаврухину.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель, объект и предмет исследований, сформулированы основные научные положения, выноси мые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса в изучении механического сноса поч вы. Задачи исследования» приводится анализ исследований технологий, способов и технических средств обработки почвы на склоновых полях. Однако большая их часть относится к обработкам против ветровой и водной эрозий. В этом направле нии большой вклад внесли В.В. Бледных, В.А. Богомягких, Г.В. Веденяпин, В.П. Грызлов, Л.В. Гячев, В.А. Лаврухин, К.С. Орманджи, З.С. Рахимов, И.С. Те рещенко, Н.К. Шикула и другие.
Из анализа состояния вопроса следует, что механическому сносу почвы, особенно на склоновых полях, уделялось мало внимания, тогда как он является предшествующим процессом появления водной и ветровой эрозий.
Это указывает на то, что существует социальная проблема разрешения про тиворечия между потребностью в совершенствовании процесса вспашки полей с целью снижения на них механического сноса почвы и уровнем научных знаний о физической сущности этого процесса, что требует моделирования склоновых почв.
Для достижения поставленной цели и решения указанной проблемы в дис сертационной работе сформулированы следующие задачи исследований:
1. Получить и уточнить частные зависимости механически сносимого объе ма почвы от характеристик склона, скорости вспашки и параметров плуга.
2. Уточнить математическую модель процесса механического сноса почвы с учетом полученных зависимостей.
3. Теоретически выявить закономерности процесса обработки почвы скло новых полей лемешными плугами и установить влияние параметров плуга, скоро сти и направления движения на объем сносимой почвы.
4. Экспериментально проверить закономерности механического сноса поч вы и обосновать основные параметры процесса ее обработки на склоновых полях лемешными плугами.
5. Разработать рекомендации по обработке почвы склоновых полей и иссле довать их эффективность.
Во второй главе «Теоретические предпосылки процесса обработки склоно вых полей» получены и уточнены частные зависимости сносимого объема почвы от характеристик склона и параметров плуга. Известно, что почва по-разному со противляется деформациям. В одних случаях она ведет себя как твердое тело, в других – как пластическое, вязкое или сыпучее. В данном исследовании почвен ный пласт принимается как линейно-деформационное тело, обладающее способ ностью сопротивляться деформации, то есть, принимается известная почвенная модель, разработанная В.И. Виноградовым, С.В. Гячевым и В.А. Лаврухиным.
В связи с тем, что обработка склоновых полей может производиться вдоль склона («вверх», «вниз») и поперек склона («вправо», «влево»), используя принятые до пущения почвенной модели, для данных схем движения рабочего органа (клина деформатора) определены основные параметры лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга (рисунки 1а,б;
2а,б).
z z а б L A Nn p p 90 Nn Np E A 90-0 Np R y P O O D p F T 90 90 K p M B Q y x D x C Рисунок 1 – Движение праворежущего рабочего органа вниз по склону: а) схема к определению углов p и p при движении праворежущего рабочего органа вниз по склону;
б) сферическое отображение праворежущего рабочего органа при движении вниз по склону z z а L Nn б Np A p p R D E P 90 Nn 0 Np A y F 90- T O 0 p 0 C 90-p M O p y HQ D x B x Рисунок 2 – Движение леворежущего рабочего органа вниз по склону: а) схема к определению углов p и p при движении леворежущего рабочего органа вниз по склону;
б) сферическое отображение леворежущего рабочего органа при движении вниз по склону Используя теоремы сферической тригонометрии для указанных вариантов движе ния, определены основные углы лемешно-отвальной поверхности p и p cos p cos cos 0 sin sin 0 sin 0 ;
(1) sin 0 cos cos p, (2) sin p где p – двугранный угол между касательной плоскостью и плоскостью дна бороз ды (плоскостью хоу);
p – угол между следом касательной плоскости на плоскости хоу и направле нием движения корпуса (осью ох);
0 – угол постановки лезвия лемеха к стенке борозды (направлению движе ния);
0 – угол постановки лезвия лемеха к дну борозды;
– угол склона.
Аналогично решалась задача для движения право- (3, 5) и леворежущего (4, 5) рабочего органа поперек склона cos p cos cos 0 sin sin 0 cos 0 ;
(3) cos p cos cos 0 sin sin o sin 0 ;
(4) sin 0 sin sin p, (5) sin p где – угол склона.
Из анализа зависимостей (1, 2, 3 и 4) следует, что при работе почвообраба тывающих орудий на односкатных склонах угловые параметры их рабочих орга нов изменяются в зависимости как от направления движения, так и от крутизны склона. Об изменении углов p и p можно судить по рисунку 3, на котором пока заны кривые функций p=f(), p=(), p=(), p=() для праворежущих и лево режущих рабочих органов с р р 0 = 26о, 0= 38о.
70 р =() Из графиков следует, что при работе на склонах р =() угловые параметры рабочих органов почвообрабатываю р =() 35 щих орудий в зависимости от р =f() направления движения изме няются. Диапазоны измене 10 ния параметров рабочих ор ганов можно проследить на 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 основании таблицы 1.
угол склона, град.
Рисунок 3 – График зависимости p и p от и и направления движения почвообрабатывающего агрегата для рабочего органа 0=26о, 0=38о Эти данные указывают на то, что на склонах рабочие органы в зависимо сти от направления движения работают с другими параметрами. Следователь но, у них будут различные агротехнические и энергетические показатели рабо ты. Так, наблюдаемый механический снос почвы при обработке на склоновых полях можно объяснить и тем, что при движении почвообрабатывающих ору дий вниз по склону (особенно плугов) угол постановки образующих рабочей поверхности рабочих органов к направлению движения значительно возрастает.
Это приводит к увеличению перемещения почвы вниз по склону.
Наблюдаемый различный оборот пласта при вспашке склонов поперек объясняется резким изменением углов p и p лемешно-отвальной поверхности.
Так, при движении пахотного агрегата по горизонтали и при отваливании пла ста вверх по склону у лемешно-отвальной поверхности углы p уменьшаются, а p увеличиваются, при отваливании пласта вниз по склону – наоборот.
Таблица 1 – Изменение параметров плуга в зависимости от угла склона и на правления движения агрегата Параметры плуга Параметры плуга Угол поста- Угол поста- Угол поста- Угол поста Угол склона, новки лезвия новки лезвия новки лезвия новки лезвия град. лемеха к лемеха ко дну лемеха к лемеха ко дну стенке бороз- борозды, р, стенке бороз- борозды, р, ды, р, град. град. ды, р, град. град.
движение агрегата вниз по движение агрегата вверх по склону склону 3 42 28 32 6 45 30 27 9 49 32 20 движение агрегата поперек движение агрегата поперек склона с оборотом пласта вниз склона с оборотом пласта по склону вверх по склону 3 34 29 42 6 31 31 47 9 28 33 53 При изменении склона от 30 до 90 от среднего значения (при угле склона 60) отклонение угла р незначительно и не превышает 70. Это позволяет предпо ложить, что можно устанавливать постоянные значения Р и Р в пределах ра бочих склонов.
Известно, что в любой точке рабочей поверхности конкретного рабочего органа угол 0 изменяется в небольших пределах, и с учетом тригонометриче ской функции его можно считать постоянным. Угол 0 изменяется в зависимости от параметров склона и направления движения, и кроме того, может регулиро ваться. Но при установленном угле Р для каких-то условий вспашки (угол скло на и направления движения) он не изменяется, то есть, остается постоянным. Это позволяет принять, что произведения sin 0 cos 0 и sin 0 sin 0 являются посто янными величинами для определенной крутизны склона и направления движе ния.
Наблюдаемый различный оборот пласта при обработке склонов поперек объясняется изменением углов p и p лемешно-отвальной поверхности. Так, при движении пахотного агрегата по горизонтали и при отваливании пласта вверх по склону у лемешно-отвальной поверхности углы p интенсивно возрас тают, а углы p уменьшаются. При отваливании пласта вниз по склону – наобо рот.
Из анализа зависимостей (1, 2, 3 и 4) также следует, что при движении рабочего органа вдоль склона cos p sin p sin 0 cos 0 const, (5) а при движении поперек склона (по горизонтали) sin p sin p sin 0 sin 0 const. (6) Это указывает на то, что для обеспечения качественной обработки (уменьшения механического сноса почвы) плуги должны иметь рабочие органы с регулируе мыми угловыми параметрами. Изменения этих параметров при регулировке должны учитывать как крутизну склонов, так и направление движения по ним пахотного агрегата.
Чтобы определить влияние крутизны полевого склона на динамику пласта почвы при его движении по лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга, не обходимо рассмотреть схему сил, действующих на элемент пласта (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема действия сил на элемент пласта Q'P+dQ'P и Q'P – поперечные силы N от изгиба пласта в касательной Fmр Q'P fdN=d T ' T'+dT плоскости;
Q'n+dQ'n и Q'n – dGP M'Q +dM'Q dTN Q'n поперечные силы от изгиба пласта в dFN dGT MQ +dMQ плоскости нормального сечения;
M'Q dF a Q'n +dQ'n MQ+dMQ и MQ, M'Q+dM'Q и M'Q – dFP T' изгбающие моменты;
T dT и T – MQ fdN dGN dTP сжимающие усилия;
Q'P +dQ'P dG fdN – равнодействующая сил трения;
b – ширина захвата корпуса dS b плуга;
a – глубина пахоты;
dG – вес выделенного элемента пласта;
P dF – сила инерции Результирующее нормальное давление определяется из решения диффе ренциального уравнения d 2 Kn dN р abg cos р dS ab r2 K n dS EI1 dS TK n dS, (7) dS приращение сжимающего усилия – из уравнения dT abg sin р sin р dS fdN р, (8) сила трения по поверхности отвала определится из выражения Fp dN f, (9) а уравнение траектории движения пласта по лемешно-отвальной поверхности имеет вид d 2Kr dS T р K r dS ab r2 K r dS abg sin p cos р dS 0. (10) EI 2 dS В этих выражениях плотность почвы, кг/м3;
dS – путь по траектории движения пласта, м;
g ускорение свободного падения, м/с2;
0, р угол каса тельной к траектории и горизонтальной прямой, лежащей в текущей касатель ной плоскости к поверхности соответственно в проектируемом и рабочем вари анте;
r относительная скорость пласта, м/с;
Е – модуль упругости, Н/м2;
ab ba I I1 – момент инерции сечения пласта, м4;
Кn =kcos нор ;
мальная кривизна траектории, 1/м;
Кr =ksin геодезическая кривизна траекто рии, 1/м;
k – кривизна относительной траектории;
а глубина пахоты, м;
b ширина захвата корпуса, м;
0, р угол между текущей касательной и гори зонтальной плоскостями соответственно в проектируемом и рабочем варианте;
f коэффициент трения;
Т сжимающее усилие, Н.
Анализ данных зависимостей позволил установить, что при работе плуга поперек склона с отваливанием пласта вверх по склону пласт оборачивается хуже, а при движении плуга вниз по склону почва перемещается вниз значи тельнее.
Для определения углов p и p в зависимости от крутизны склона и на правления движения в диссертации приведена номограмма.
В любом случае при движении частиц пласта по относительным поверх ностям (геодезическим линиям) скорость их схода с крыла отвала (относитель ная скорость r) всегда будет равна поступательной скорости плуга e (условие неразрывности потока почвы на отвале плуга), то есть r е.
Динамика движения пласта после его схода с отвала корпуса плуга (рису нок 5) описывается дифференциальными уравнениями свободного падения его час z тиц относительно указанных осей:
y d2y d 2x d2z m 2 0 ;
m 2 0 ;
m 2 mg. (11) y dt dt dt y После их решения при начальных условиях получим уравнения движения, C B M которые являются параметрическими х D уравнениями абсолютной траектории час A х тиц пласта х Рисунок 5 – Схема перемещения x e (2 sin 2 sin 2 )t ;
частиц пласта при их свободном падении y e (2 sin sin 2 cos )t ;
(12) z e sin sin t gt 2.
Исключая значение времени t из первого и третьего уравнений движения, получим уравнения проекции траектории частиц пласта на плоскость xM0z при движении плуга вниз и вверх по склону gx x z. (13) sin ctg 8 sin sin 2 4 e 2 Точки пересечения параболы с указанными осями будут определять перемеще ние частиц пласта по ходу движения агрегата. Уравнения осей М0х1 и М0х2 в указанной системе координат будут иметь вид z1 tg x1 ;
z 2 tg x 2. (14) При этом угол склона в первом случае имеет отрицательное значение (агрегат движется вниз по склону), а во втором – принимает положительное значение (агрегат движется вверх по склону).
Приравнивая уравнения (13) и (14), находятся координаты точек А и В.
Их разность определит перемещение частиц пласта вниз по склону 8 e2 sin 4. sin 2.
x A x B 2tg | | (15) g Проекцию траектории частиц пласта на плоскость yM0z при движении плуга поперек склона с отваливанием пласта вверх и вниз по склону получим, исключая время t из второго и третьего уравнения движения gy y z. (16) cos ctg e sin 2 sin 2 2 Точки ее пересечения с указанными осями z1 tg y1 ;
z 2 tg y 2. (17) И аналогично предыдущему e2 sin 2 2 sin 2.
yC y D 2tg | | (18) g Таким образом, механический снос почвы имеет место при работе плугов как вдоль склонового поля, так и поперек его.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследова ний» сформулированы цель и задачи экспериментальных исследований, приве дены общая программа и методика их проведения, обоснованы технические средства для выполнения экспериментальных исследований, частные методики их проведения. Экспериментальные исследования проводились как по стан дартным, так и вновь разработанным частным методикам.
Условия проведения опытов были следующими: вид работы – вспашка склонов на глубину 20…22 см;
предшественник – озимая пшеница;
тип почвы – чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый;
угол склона 00;
30;
60;
80. Прове дено 37 опытов с трехкратной повторностью. Представлена методика много факторного эксперимента (по обоснованию оптимального плана). Обработка данных измерений проводилась по общепринятой методике.
В четвертой главе «Анализ результатов исследований» представлены свойства почвы ОАО Учхоза «Зерновое» Зерноградского района Ростовской области (влажность почвы в слоях: от 0 до 10 см – 19,2%;
свыше 10 до 20 см – 18,6%;
свыше 20 до 30 см – 18,7%;
твердость почвы в слоях: от 0 до 10 см – 1,03 МПа;
свыше 10 до 20 см – 2,13 МПа;
свыше 20 до 30 см – 2,57 МПа).
Из анализа результатов исследования следует, при работе плуга на трех градусном склоне при движении поперек склона со скоростью 9,6 км/ч пере мещение почвы вниз по склону увеличивается от 0,00015 т·м (перемещение вниз по склону на 0,02 м) до 0,00045 т·м (перемещение вниз по склону на 0,06 м) с изменением угла постановки лезвия к стенке борозды от 38 0 до 420.
Аналогичная зависимость наблюдается при работе агрегата при вспашке шести и восьмиградусных склонов. При угле постановки лезвия лемеха к стенке бо розды 380 снос почвы составляет 0,0007 т·м (перемещение вниз по склону на 0,04 м) и 0,0018 т·м (перемещение вниз по склону на 0,06 м) соответственно, а при 420 – 0,0023 т·м (перемещение вниз по склону на 0,13 м) и 0,006 т·м (пере мещение вниз по склону на 0,2 м). При движении вдоль склона при тех же ус ловиях работы также наблюдается увеличение сноса почвы с ростом угла по становки лезвия лемеха к стенке борозды: при угле постановки лезвия лемеха 380 при вспашке на трехградусном склоне снос почвы составляет 0,0004 т·м (перемещение вниз по склону на 0,04 м), на шестиградусном склоне – 0,002 т·м (перемещение вниз по склону на 0,08 м), на восьмиградусном склоне – 0,0065 т·м (перемещение вниз по склону на 0,13 м). С увеличением угла поста новки лезвия лемеха к стенке борозды до 420 снос почвы увеличивается до 0,0036 т·м (перемещение вниз по склону на 0,36 м) трехградусном склоне, до 0,0185 т·м (перемещение вниз по склону на 0,74 м) на шестиградусном склоне и до 0,0575 т·м (перемещение вниз по склону на 1,15 м) на восьмиградусном склоне.
Оборот пласта при движении плуга вниз по склоновому полю и поперек его с отваливанием пласта вниз по склону с увеличением крутизны склона и скорости вспашки улучшается, а при движении пахотного агрегата вверх по склоновому полю и поперек его с отваливанием пласта вверх по склону – ухудшается.
Наименьшее перемещение почвы как в продольном, так и в поперечном направлениях наблюдалось в процессе опытов при движении агрегата поперек склона с оборотом пласта вверх по склону при рабочей скорости движения 7,2 км/ч на склоне 30.
Для рассмотрения вопроса о нахождении зоны оптимума были построены поверхности отклика. Некоторые из них представлены на рисунках 6–9.
снос почвы, снос почвы, т м тм 0, 0, 0,03 0, скорость, км/ч 0, 0, 11,5 11, 0, 0,02 10,5 0,01 10, 0,015 0, 9,5 9, 0, 0,01 8,5 8, 0, 0,005 7,5 7, скорость, км/ч 0, 0 6,5 6, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 угол склона, град.
угол склона, град.
z=0,3601–0,1269+0,00852+ z=–0,192+0,0437+ 0,00112+ +0,0056+0,00432 +0,0057–0, Рисунок 6 – Продольный снос почвы Рисунок 7 – Поперечный снос почвы при движении агрегата поперек при движении агрегата поперек склона (среднее) склона (среднее) снос почвы, тм 0, снос почвы, т м скорость, 0, 11, км/ч 0,040 10,5 0, 0,030 9,5 10, 0, 8,5 скорость, км/ч 0, 8, 0, 0,010 7, 0,0000 6, 0,000 6, 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 угол склона, град.
угол склона, град.
z=–0,0892–0,0831+0,154+ z=0,172–0,023–0,09+0, 0,005662+0,0021–0, Рисунок 8 – Продольный снос почвы Рисунок 9 – Поперечный снос почвы при движении пахотного агрегата при движении пахотного агрегата вдоль склона (среднее) вдоль склона (среднее) Анализ полученных поверхностей отклика показал, что кривые поверх ностей отклика экстремума не имеют. Однако они позволяют подобрать рацио нальное сочетание рассматриваемых факторов при продольном и поперечном сносе почвы.
Наименьший снос почвы будет наблюдаться:
- при движении агрегата поперек склона продольный снос почвы наи меньший при скорости движения до 7,5 км/ч и угле склона до 6,50, а также при скорости движения до 11,5 км/ч и угле склона до 30;
- при движении агрегата поперек склона поперечный снос почвы наи меньший при скорости движения до 7,5 км/ч и угле склона до 80, а также при скорости движения до 11,5 км/ч и угле склона до 50;
- при движении агрегата вдоль склона продольный снос почвы наимень ший при скорости движения до 7,5 км/ч и угле склона до 50, а также при скоро сти движения до 11,5 км/ч и угле склона до 30;
- при движении агрегата вдоль склона поперечный снос почвы наимень ший при скорости движения до 8,5 км/ч и угле склона до 50, а также при скоро сти движения до 11,5 км/ч и угле склона до 30;
Для обработки склоновых полей, угол которых достигает 8 0, необходимо снижать скорость движения агрегата до 6,5 км/ч, на склоне угол которых со ставляет 3…40, скорость движения пахотного агрегата можно увеличить до 10,7 км/ч. При этом также будет выполняться условие наименьшего сноса поч вы как в продольном, так и в поперечном направлении.
Адекватность результатов теоретических и экспериментальных исследо ваний представлена графически на рисунках 10, 11.
0, 0, 10,8 км/ч снос почвы, т м 10,8 км/ч снос почвы, т м 0, 0, 0, 0, 0,025 9,6 км/ч 0, 0,02 9,6 км/ч 0, 0, 7,2 км/ч 7,2 км/ч 0, 0, 0, 0 2 4 6 0 8 0 2 4 6 8 угол склона, град угол склона, град - теоретически;
- экспериментально Рисунок 10 – График зависимости Рисунок 11 – График зависимости сноса почвы при движении агрегата сноса почвы при движении агрегата поперек склона вдоль склона Результаты определения относительной ошибки показывают, что пред ложенные выражения для вычисления сноса почвы вниз по склону при движе нии вдоль и поперек склона могут быть использованы для практических расче тов.
Проверка согласованности экспериментальных и теоретических данных по критерию Кохрена ( G табл 0,4775 G оп ) показала их хорошую сходимость, отклонения составляют не более 4,9% при вспашке вдоль склона и не более 4,74% при вспашке поперек склона при уровне значимости 0,05. Между углом склона, скоростью движения агрегата и сносом почвы вниз по склону сущест вует сильная корреляционная зависимость (коэффициент аппроксимации r=0,95…0,99). Проверка по критерию Фишера показала, что уравнения регрес сии адекватно описывают технологический процесс механического сноса поч вы (FрасчFтабл=3,2).
Качество работы плуга как на горизонтальных, так и на склоновых полях оценивалось с помощью коэффициента относительного сноса почвы, который показал, что с увеличением угла склона и скорости движения агрегата коэффи циент относительного сноса почвы увеличивается, а почва перемещается вниз по склону.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о пересмотре организации обработки склоновых полей лемешными плугами общего назначения. Так, применяя рекомендуемые скоро сти движения при обработке и чередование оборота пласта можно уменьшить механический снос в 1,5…3 раз за полный цикл обработок (рисунок 12).
Кроме того для сокращения полного цикла обработки склоновых полей лемешными плугами общего назначения можно использовать схему регулиро вания скорости при движении поперек склона с чередованием оборота пласта вверх и вниз по склону.
Во избежание холостых проездов рекомендуется использовать поворот ные плуги, используемые для гладкой вспашки.
Эти рекомендации позволяют значительно уменьшить механический снос почвы даже без регулирования параметров плуга.
Максимальный эффект по снижению механического сноса почвы можно достичь путем применения почвообрабатывающих орудий с регулируемыми угловыми параметрами рабочих органов (угол постановки лезвия лемеха ко дну борозды и угол постановки лезвия лемеха к стенке борозды), которые изменя ются в зависимости от крутизны склонового поля и направления движения аг регата. В этом случае величина сноса почвы уменьшится в 1,3 раза за один цикл обработки.
В пятой главе «Экономическая эффективность внедрения результатов исследований в сельскохозяйственное производство» проведен расчет эконо мической эффективности от внедрения предлагаемой технологии обработки склоновых полей лемешными плугами. Установлено, что применение предла гаемой технологии вспашки значительно эффективнее классической: при сни жении эксплуатационных затрат на 1,97 % используя при обработке почвооб рабатывающие орудия с рациональными угловыми параметрами и росте на 30,77% при обработке путем регулирования скорости вспашки и чередованием направления движения агрегата, за счет снижения дозы внесения удобрений в среднем на 16,5 % чистый дисконтированный доход соответственно составит 1200 руб/га и 970 руб/га, а срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составит около 3 лет.
а 10,8км/ч 10,8км/ч 10,8км/ч 9,6км/ч 9,6км/ч 9,6км/ч 0, Снос почвы, т· м 7,2км/ч 7,2км/ч 7,2км/ч 0, 0, -0, -0, -0, -0, 3 град. 6 град. 8 град.
Угол склона, град.
10,8км/ч 10,8км/ч б 0,08 9,6км/ч 10,8км/ч 9,6км/ч 0, Снос почвы, т·м 9,6км/ч 7,2км/ч 7,2км/ч 0,04 7,2км/ч 0, -0, -0, -0, -0, 3 град. 6 град. 8 град.
Угол склона, град.
- механический снос почвы, т·м;
- перемещение вверх, т·м - перемещение вниз, т·м Рисунок 12 – Снос почвы при обработке склоновых полей: при классической схеме обработки «всвал-вразвал» (а);
при рациональном чередовании направлений оборота пласта (б) Общие выводы 1. Существует социальная проблема разрешения противоречия между по требностью в совершенствовании процесса вспашки полей с целью снижения на них механического сноса почвы и уровнем научных знаний о физической сущности этого процесса, что требует моделирования склоновых почв с обяза тельным включением объемного элемента склона.
2. Установлено, что независимо от направления движения при вспашке на перемещение почвы основное влияние оказывают скорость движения пахотно го агрегата и угол склона. Угол постановки лезвия лемеха к дну борозды Р ока зывает пренебрежительно малое влияние, что объясняется малым углом Р и синусом этого угла в четвертой степени. Угол постановки лезвия лемеха к стенке борозды Р оказывает заметное влияние на перемещение почвы, причем это влияние усиливается при вспашке поперек склона. Последнее объясняется тем, что при поперечной вспашке значение Р удваивается и используется синус второй степени.
3. Для обеспечения адекватности математической модели сноса почвы на склонах в нее введен коэффициент относительного сноса почвы, который пред ставляет собой отношение приращения сноса почвы вниз по склону к суммар ному сносу почвы. Значения коэффициента относительного сноса зависят от величины склона, скорости движения агрегата и направления вспашки, и могут принимать значения от нуля на горизонтальной поверхности до 0,284 при вспашке вдоль склона с уклоном 90 при максимальной скорости движения 10, км/час.
4. Выявленные закономерности влияния угла склона, скорости движения агрегата, угла постановки лезвия лемеха к стенке борозды на снос почвы позво лили установить, что для уменьшения сноса почвы необходимо не только ог раничивать скорость вспашки, но и увеличивать угол постановки лезвия лемеха к стенке борозды Р. При этом допустимый снос почвы можно обеспечить при определенных сочетаниях скорости вспашки и угла Р.
5. С учетом того, что при изменении склона от 3 до 90 отклонение опти мального значения угла р от среднего значения (при угле склона 60) не превы шает 60, а влияние угла Р незначительно, можно устанавливать постоянные значения Р и Р в пределах рабочих склонов при рабочих скоростях. Установ лено, что наименьший снос почвы будет при углах: Р = 380;
Р = 260 и скорости движения агрегата 7,2...7,8 км/ч.
Параметры плуга для любых углов склона могут быть установлены с по мощью номограммы, разработанной с учетом тригонометрических зависимо стей между углом склона и оптимальными угловыми параметрами плуга.
6. Экспериментальные исследования процесса вспашки почвы подтвер дили адекватность математической модели и полученных зависимостей, откло нения теоретических и экспериментальных исследований не более 4,9% при вспашке вдоль склона и не более 4,74% при вспашке поперек склона при уров не значимости 0,05.
Подтверждение полученных теоретических результатов позволило сфор мулировать рекомендации по установке параметров плуга и скорости вспашки в зависимости от угла склона и направления движения. Кроме того, полученные экспериментальные данные позволяют значительно упростить математическую модель, представив полученные зависимости в виде уравнений линейной рег рессии. Полученные уравнения регрессии адекватно описывают технологиче ский процесс механического сноса почвы (R2 не ниже 0,957).
7. При обработке почвы без регулирования параметров плуга обеспечить минимальный снос почвы возможно только путем регулирования скорости вспашки и чередованием направления движения. Снос почвы при рекомендуе мых углах Р и Р в пределах изменения скорости вспашки 7,2...7,8 км/ч уменьшится не менее чем на 56% (за полный цикл обработок).
8. Исследования экономической эффективности разработанных меро приятий по регулированию параметров плуга и по скоростным режимам вспашки показали, что за счет уменьшения массы сносимой почвы и сохране ния плодородия можно снизить дозу внесения минеральных удобрений на 16,5% при сохранении урожайности. При этом чистый дисконтированный до ход составит при обработке почвы путем регулирования скорости вспашки и чередованием направления движения с заводскими параметрами плуга 970 руб/га, и при установке рекомендуемых параметров плуга (угол постановки лезвия лемеха к стенке борозды Р = 380;
угол постановки лезвия лемеха к дну борозды Р = 260) 1200 руб/га.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
в изданиях, определенных ВАК:
1. Макарова, М.С. О влиянии склонов на механическую эрозию почв [Текст] / В.А. Лаврухин, М.С. Макарова // Известия ВУЗов. Сев.-Кав. регион.
Технические науки. – 2005. – Спецвыпуск. – С. 72–78.
Макарова, М.С. Перемещение пласта почвы при вспашке склоновых 2.
полей [Текст] / М.С. Макарова, В.А. Зацаринный // Механизация и электрифи кация сельского хозяйства. – 2008. – №8. С. 16–17.
в сборниках научных трудов:
3. Макарова, М.С. Изменение параметров рабочих органов почвообраба тывающих орудий при работе на склонах [Текст]/ В.А. Лаврухин, М.С. Макаро ва // Технологии и средства механизации полеводства: сб. науч. тр. – Зерноград, 2002. – С. 53–61.
4. Макарова, М.С. Движение пласта по лемешно-отвальной поверхности при работе плугов на склонах [Текст] / В.А. Ларухин, М.С. Макарова // Научная молодежь - агропромышленному комплексу: сб. науч. тр. – Зерноград, 2003. – С. 61–66.
Макарова, М.С. К вопросу о перемещении пласта после схода с от 5.
вала [Текст] / М.С. Макарова // Научная молодежь - агропромышленному ком плексу: сб. науч. тр. – Зерноград, 2003. – С. 56–60.
6. Макарова, М.С. Методика исследования механической эрозии почвы в полевых условиях [Текст] / М.С. Макарова // Технологии и средства механи зации полеводства: сб. науч. тр. – Зерноград, 2004. – С. 181–184.
Макарова, М.С. Влияние крутизны склона на силы, действующие на 7.
пласт при движении по лемешно - отвальной поверхности [Текст] / М.С. Мака рова // Моделирование процессов производства продукции растениеводства:
межвуз. сб. науч. тр. – Зерноград, 2007. – С. 29–33.
Макарова, М.С. О переносе почвы при работе плугов на склоновых 8.
полях [Текст] / Н.В. Гончарова, М.С. Макарова // Физико-технические пробле мы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. тр.
по материалам 4 российской науч.-практ. конф. – Ставрополь, 2007. – С. 260– 267.
Макарова, М.С. О механической эрозии почвы при работе плуга на 9.
склоновых полях [Текст] / М.С. Макарова, В.А. Зацаринный // Проблемы со временной аграрной науки: мат-лы междунар. заоч. науч. конф. – Красноярск, 2009. – С. 6–10.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 10.11.2010 г.
Формат 6084/16. Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград, Ростовская обл., ул. Советская, 15.