Разработка и обоснование параметров рабочих органов культиватора для предпосевной обработки почвы

Актуальность темы

Главной задачей сельскохозяйственного производства является повышение эффективности всех его отраслей, обеспечение страны продовольствием и сырьем для перерабатывающей промышленности. Решение этих задач возможно только при наличии прогрессивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур и эффективной техники. Ведущее место здесь принадлежит разработке и внедрению машин с прогрессивными рабочими органами, которые могут обеспечить качественное выполнение технологического процесса при снижении его энергоемкости.

Кроме того, в этом отношении* актуальным является создание комбинированных почвообрабатывающих машин для совмещенияопераций предпосевной обработки почвы, так как они выполняются в условиях дефицита продуктивной влаги, а также в. наиболее эрозионные опасные г у периоды. Внедрение таких машин сдерживается отсутствием надежных рабочих органов. Комбинированные агрегаты, созданные «на базе традиционных рабочих органов, — • имеют явные преимущества перед однооперационными орудиями [25,41,69]. В то же время, они не полностью отвечают современным требованиям сельскохозяйственного производства. Поэтому требуется переход на принципиально новые машины, рабочие органы которых используют прогрессивные принципы воздействия, на обрабатываемую среду [2,5,77,110] и должны обеспечить качественное выполнение агротехнических требований с сокращением до минимума промежуточные операции. При этом исключается чрезмерная деформация и распыление почвы.

Данная работа посвящена, разработке и исследованию комбинированного рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по программе Россельхозакадемии 09.01.02.

Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства приоритетных групп продукции растениеводства — зерновых, зернобобовых культур, многолетних трав и льна" по заданию 09.01.02.01 «Разработать высококонкурентоспособные почвообрабатывающие • и посевные агрегаты».

Рассматриваемые в диссертации научные исследования выполнялись, в соответствии с Программойфундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006. .2010 гг. Российской академии сельскохозяйственных наук (№ гос. регистрации 15 070.7721022959.06:8.002.3).

Объектыисследованиям Технологический? процесс предпосевной обработки почвы и комбинированные рабочие органы культиватора. .

Предмет исследований. Закономерности процессавзаимодействия? рабочих элементов лапы с почвой в зависимости от высоты ножа-стабилизатора, а также особенности воздействиярабочей поверхности* и зубчатого лезвия рабочего органа культиватора на почву.

Методика исследований, у При проведении теоретических исследований использовались законы земледельческоймеханики^ методы прикладной математики, а также. положения аналитической геометрии. Экспериментальные исследования, .проводились в лабораторных, лабораторно-полевых условиях, в соответствии с действующими общепринятыми методикамиОбработка экспериментальных данных проводилась при помощи методов, а математической статистики и теории вероятности.

Научнаяновизна-, Разработана конструкция и обоснованы параметры рабочего органа. культиватрра. Получены зависимости, позволяющие обосновать рациональнуюформу рабочей поверхности лапы и её зубчатой.

1 * режущейкромки. Выявлен характер процесса взаимодействия рабочих элементов лапы с почвой в зависимости от высоты ножа-стабилизатора, а также особенности воздействия рабочей поверхности и зубчатого лезвия рабочего органа культиватора на почву. Предложена методика проектирования рабочего органа культиватора. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами на изобретения. .

Практическая' значимость. Проведенные исследования позволили создать культиватор с новыми рабочими органами, который, обеспечивает улучшение качества предпосевной обработки почвы и снижение энергозатрат. Результаты работы, аналитические зависимости и теоретические выводы,' послужат дальнейшему совершенствованию рабочих органов культиваторов и могут быть использованы в производстве. .

Реализация^ результатов исследований. В Буинской СХТ РТ изготовлены, опытные образцы агрегатов ' с предлагаемыми рабочими? органами, которые прошли производственные испытания в ООО «Аксу баевская продовольственная корпорация» РТ и в Учебном г хозяйстве КГСХА и ведомственное испытание в Поволжской МИЄ. Производственные опыты показывают повышение урожайности сельскохозяйственных культур.

Исходя из изложенного: и с учетом требований к. диссертационным работам на защиту выносятся следующие основные положения:^.

— конструктивная схема. рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы-.. • •.

— теоретический анализ рабочего процесса и научное обоснование конструктивных параметров рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы и методика проектирования криволинейной і формы рабочей поверхности и зубчатой режущей кромки лапы культиватора- - аналитические зависимости: для определения вылета носка, высоты • ' ** лапы и ножа — стабилизатора и других параметров лапы;

— качественные, показатели работы. культиватора с новыми рабочими органами и их влияние на формирование агротехнических показателей;

— технико-экономические показатели работы культиватора и энергетические характеристики новых рабочих органов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на. научных конференциях Казанского ГАУ (2007;2011гг) — ГНУ «Татарский НИИСХ» (2009г), ИНЭКА, г. Чистополь (2009г), где был отмечен дипломом. Разработанный рабочий орган культиватора экспонировался на 14-ой международной специализированной выставке «АГРОКОМПЛЕКС: Интерагро. Анимед. Фермер Поволжья» и на 12-международной специализированной выставке «Энергетика. Ресурсосбережение».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе три статьи в ведущих рецензируемых научно-практических журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ и два патента РФ на изобретение и. один патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, общих выводов" и содержит 199 страниц машинописного текста, в том числе 44 рисунка, 5 таблиц, 131 наименование использованной литературы и 38 страниц приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана новая конструктивная схема рабочего органа культиватора для предпосевной обработки почвы, рабочая поверхность которого выполнена в виде сопряжения двух участков логарифмических спиралей, выпуклостью вверх кривизны: отрицательной — в подрезающей части и положительной — в рыхлящей части, снабженной радиально ножом> стабилизатором, огибающим поверхность лапы и установлен параллельно ее продольной оси. При этом режущая кромка каждого крыла лапы выполнена зубчатой, причем передняя кромка каждого зуба имеет прямолинейную форму и размещена под углом скользящего резания к продольной оси лапы и с перекрытием в поперечном направлении передней кромки расположенная впереди зуба, а тыльная кромка каждого зуба выполнена прямолинейной и расположена перпендикулярно к, касательной, соответствующей точке контура режущей кромки лапы.

2. В результате выполненных теоретических исследований: а) определен характер процесса взаимодействия рабочих элементов лапы с почвой в зависимости от выбора высоты ножа-стабилизатора, особенности воздействия рабочей поверхности и зубчатого лезвия лапы рабочего органа на почву- - > б) получены аналитические зависимости (2.8), (2.10), (2.11), (2.14), (2.31), (2.33), (2.34), (2.35), которые позволили обосновать выбор основных конструктивных параметров рабочего органа культиватора: вылет носка рабочего органа относительно стойки — 190 мм, высота лапы — Ид = 60 мм, высота груди — А к =30 мм, высота ножа на рабочей поверхности лапы -/г"=25мм, длина контура зубчатого лезвия лапы — ¿-=210мм, длина передней i 1 кромки зуба — ?3= 30 мм, длина тыльной кромки зуба — ?г=14мм, а также пути улучшения его качества работы и снижения тягового сопротивленияв) разработана методика проектирования рабочего органа культиватора с учетом показателей физико-механических свойств почвы, определена его форма и обоснованы конструктивные параметры (стр.84−88 диссертации).

3. Лабораторными исследованиями воздействия рабочего органа на почву установлено, что для снижения энергоёмкости рыхления почвы I ширину захвата лапы необходимо принимать в пределах 0,27.0,30 м, а также рациональной технологической регулировкой рабочего органа культиватора является радиальная установка высот ножа-стабилизатора относительно рабочей поверхности лапы, которая выбирается в пределах 2,5 см.

4. Проведенными полевыми исследованиями выявлено, что: а) при обработке почвы культиватором с новыми рабочими органами 5 показатель вспушенности также выше, чем у контрольного культиватора, а гребнистость поверхности не превышает 5,8%, степень выравненности поверхности поля с повышением скорости увеличивается до 84,6.89%- б) степень крошения, почвы при обработке экспериментальным культиватором на всех режимах работы выше, чем у контрольного агрегата (на 9,8. .13,5%) — в) в зависимости от скорости хода и глубины новый рабочий орган обеспечивает лучшую заглубляемость и более высокую устойчивость глубины в 1,7.2,2 раза. При этом коэффициент вариации ниже, чем у серийного агрегата на 0,'8.2,1%, а среднеквадратическое отклонение глубины обработки с повышением скорости не превышает допускаемой величины до 12 км/ч- 1 г) степень уничтожения сорняков в среднем на 29,4% больше по сравнению с существующими агрегатамид) тяговое сопротивление культиватора с новыми рабочими органами ниже, чем у серийного культиватора на14,2%.

5. Полевые испытания экспериментального культиватора подтвердили выводы о том, что он заметно улучшает качество предпосевной обработки почвы и обеспечивает повышение урожайности возделываемых культур в среднем на 13,8% (по сравнению с серийным культиватором).

Годовой экономический" эффект от использования экспериментального культиватора составляет 153 714 рублей (по ценам 2010 года).

Анализ результатов исследований! позволяет сформулировать основные требования и некоторые практические рекомендации:

— для. уменьшения" скорости отбрасывания почвенной? массы необходимо/ использовать рабочую поверхность, которая — выполнена ввиде сопряжения двух участков логарифмических' спиралейвыпуклостью вверх кривизны: отрицательной — в подрезающей части, и положительной — в рыхлящей частиснабженной радиальное 'ножами-стабилизаторамиогибающими поверхность лапы и установленными параллельно ее продольной оси. При ¦ ' этом режущая кромка каждого крыла лапы выполнена зубчатой, причем передняя кромка каждого зубаимеет прямолинейную форму, и размещена под углом скользящего резания к продольной? осилапы, ис перекрытием в поперечном направлении • передней кромки расположенная впереди зуба, а тыльная кромка каждого зуба выполнена5 прямолинейной и расположена перпендикулярно к контуру режущей кромки лапы;

— предлагаемые рабочие органы, хотяи могут одновременно выполнять несколько операцийсами по себе отдельно не способны качественно выполнять. агротехнические требования предпосевной обработки. Поэтому при выполнениизаданного технологического процесса нельзя рассматривать их отдельно от спирально-винтовых органов, так как только при наличии такой логической связи, комбинировании рабочих органов культиватора с последующими ротационными рыхлителями, возможно, управлять процессом крошения и формирования выровненной поверхности поля. При этом устойчивый режим работы без поломок и залипании почвой будет существовать только при наличии упругой связи спирально-пластинчатой ленты с валом рыхлителя, а также при определенных значениях жесткости упругих элементов и скорости поступательного движения;

— с целью получения необходимого качества выполнения технологического процесса следует проводить обработку почвы на скоростях поступательного движения агрегата в пределах от 7,2 до 12 км/ч.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ На основании выполненных" теоретических исследований и анализа их результатов можно сделать следующее заключение:

1. Получены аналитические зависимостикоторые позволили обосновать, рациональные., значения основных: конструктивных параметров рабочего органа культиватора.

2. Определен характер процесса взаимодействия? рабочих элементов: лапы с почвой в зависимости от установки ножа-стабилизатора, а также особенности воздействия' рабочей. поверхности" и режущей? кромки лапы культиватора на почву. •••¦•.

3. Разработана методйка проектирования рабочего органа культиватора и обоснованы его параметры.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

А. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Цель и программа лабораторных исследований.

С целью уточнения рациональных параметров рабочего органа, обеспечивающих качественные агротехнические и энергетические показатели работы и проверки полученных теоретических зависимостей, становится необходимым проведение комплекса лабораторных исследований.

На основании поставленных задач и обзора литературных источников [19] были разработаны программа и общая методика исследований.

Программой лабораторных исследований были предусмотрены:

1. Определение некоторых физико-механических свойств почвы.

2. Проведение сравнительных испытаний экспериментальных рабочих органов культиватора с серийными лапами с целью проверки правильности выводов теоретических исследований.

3. Определение влияния скорости движения рабочих органов на составляющие сил сопротивления и энергоемкость рабочего процесса.

4. Исследование влияния ширины захвата рабочего органа на величину составляющих тягового сопротивления.

5.Определение рациональных параметров ножа-стабилизатора, радиально установленного на рабочей поверхности проектируемой лапы и его влияние на энергетические показатели работы.

6. Исследование процесса взаимодействия рабочего органа с почвой с использованием методов теории планирования экспериментов.

7. Проверка полученных аналитических зависимостей для определения важнейших конструктивных параметров рабочего органа.

Согласно программы все лабораторные исследования комбинированного рабочего органа культиватора проводились в почвенном канале Самарской ГСХА по схеме, представленной в приложении 1.

3.2 Методика исследований по обоснованию конструктивных параметров рабочего органа культиватора.

3.2.1 Методика определения физико-механических свойств почвы.

В целях сведения к минимуму затрат материалов, времени и рабочей силы и получения надежных результатов в соответствии с методикой, лабораторные исследования были проведены в почвенном канале согласно схем, представленных в таблице 3.1 и в приложении 1.

При проведении лабораторных исследований определялись физико-механические свойства почвы согласно СТО АИСТ 10.4.6- 2003 [79]. Для определения влажности и, плотности почвы применялись цилиндр-бур, весы, электрический сушильный шкаф, а твердость почвы, определялась твердомером конструкции Ревякина. г.

3.2.2 Лабораторные исследования. в почвенном канале.

Лабораторные исследования', были проведены в почвенном канале с использованием специально разработанной экспериментальной установки. Исследовались варианты рабочих органов культиватора в дерново-подзолистой почве среднесуглинистого механического состава, влажностью в слое 0.13 см — 17. 18,5%. В основу оценки приняты горизонтальные и вертикальные составляющие тягового сопротивления рабочего органа рациональная высота ножа-стабилизатора, радиально установленных на рабочей поверхности лапы.

Для экспериментального обоснования основных параметров рабочего органа культиватора и технологическогорежима его работы была изготовлена лабораторная-установка (рисунок 3.1), оснащенная системой для * тензометрирования и представляющая собой* тензометрическую раму, прикрепленную шарнирно к тележке почвенного канала. Тележка позволяет регулировать в необходимых пределах1 угол наклона к вертикали и глубину обработки. Для подготовки. почвы в .канале на раме тележки устанавливались рыхлительные лапы, выравнивающий брус и уплотняющий гладкий каток. В целом экспериментальная установка смонтирована на существующей самоходной тележке почвенного канала (рисунок 3.2). Перемещение самоходной тележки в почвенном канале осуществляется при помощи тросового каната, расположенного на барабане. Привод барабана производится от электродвигателя через многоступенчатый блок коробки передач [112].

Исходя из допустимой погрешности измерений были выбраны измерительные приборы и аппаратура (рисунок 3.3). Для энергетической оценки рабочих органов культиватора, проверки основных теоретических выводов с учетом агротехнических показателей качества их воздействия на почву, использовался метод тензометрирования. При этом определялись следующие показатели: составляющие тягового сопротивления и качество обработки почвы. Значения этих показателей фиксировались в зависимости от глубины обработки и величины поступательной скорости.

Для определения вышеуказанных показателей использовались тензометрические балки. н ¦¦ «т-^^-^йййр 'Я ' Ш^- я» ж $ 1 ' • 1 1 с-г ^/к д" ЧШяШ 1 х- 1' .д 1 * шШ — в ' вд|| тшидт" ¿-у v — - ¦ 1 «У/ я^иейшшнивиив» *' и" ммдцан иеуяиж ¦ ёж шд в. вв v, ' «д •.

Рисунок 3.1 -Экспериментальная установка для исследования рабочих органов культиватора.

Рисунок 3.2 — Общий вид почвенного канала с экспериментальной установкой в работе.

Рисунок. 3.3- Измерительные приборы для регистрации показателей работы в почвенном канале.

Тензометрические балки устанавливались в соответствующих шарнирных звеньях рамки. На тензобалки наклеивались электрические проволочные датчики сопротивления типа 2 ПКБ-20−200Х, которые соединялись по мостовой схеме. Передача сигнала от датчиков к компьютеру, производилась через' тензоусилитель. Блок-схема измерителя деформаций показана на рисунок 3.4. Сигнал разбаланса моста усиливается прибором ИП-238, затем выпрямляется фазочувствительным детектором и.

1 * подается на фильтр, который задерживает, составляющую несущей частоты. С выхода сигнал подается к регистрирующему устройству 4. Одновременно на компьютере регистрировались также импульсы от индуктивных датчиков оборотов рабочего органа, оборотов колеса тележки, для нахождения пути, проходимого установкой и датчика времени 3. Эти параметры необходимы для определения скорости поступательного движения установки.

Рисунок 3.4 — Блок-схема измеритель деформации.

Тарировка тензометрических ' звеньев проводилась в начале каждой серии опытов по общепринятой методике [19,100].

3.2.3 Методика планирования эксперимента.

На5 основании предварительного анализа существующих работ, теоретических исследований и поисковых опытов, нами определены, рациональные значения некоторых параметров рабочего органаК ним относятся ширина захвата режущей кромки лапы в, скорость движения рабочего органа V и высота ножа-стабилизатора ¡-гн, глубина хода рабочего органа а, которые оказывают существенное1 влияние на энергетические и агротехнические показатели его работы.

Технологические факторы определяют условия проведения работ по обработке почвы.. Предпосевная ч обработка почвы проводится? при 1 юо — наступлении ее физической^ спелостичто достигается для дерновоподзолистой почвы при 18. 20% влажности. * ¦ .,.

Глубина предпосевной обработки почвообрабатывающими машинами соответствует глубине заделки семян и колеблется в пределах 3. .8 см.

Исследование рабочих органов культиватора были проведены, в лабораторных условиях,. приближенных. к производственным/ Почва. ' ¦ 1. • • • ¦ 5 • дерново-подзолистая I среднесуглинистого механического состава. Влажность ее составляла .1.7,0-. .18,5%, плотность — 1,10- .1,21 г/см, глубина обработки до 0,11 м.. -5.'. • ' '. • • .

При исследовании была принята? скорость до 3,33м/с с учетом пределов скорости движения современных почвообрабатывающих машин.

В. лабораторных условиях предусматривалось изучить влияние факторов в, V, Нн и, а на тяговое усилие и вертикальную реакцию почвы, котораяявляется важнейшим показателемобуславливающим устойчивость, хода. рабочего> органа по глубине. Остальные параметры — угол заострения, острота лезвия и др. приняты согласно. [107]. .

В основу опытов^были положены требования ОСТ 7 012 115−73- 70.4−2-74, 70.5.1−74.0бъектом исследований явились рабочие органы, культиватора различной ширинырежущей кромкилапыивысоты ножа-стабилизатора.

Поиск оптимальных величин указанных факторов? произведен планированием эксперимента. При проведении опытов использована общепринятая методика математической теории планирования экспериментов, план для четырех факторов Бокса (В4) [1,76]. Сначала после рандомизации была проведена серия опытов полного факторного планирования экспериментов с четырьмя факторами, варьируемыми на двух уровнях. Выбор уровней и интерваловварьирования проведены на основе теоретических исследований и. согласно [1]. .

Значения уровней: варьирования. факторов представлены в табл. 3.1, а матрица планирования! для проведения экспериментов с целью описания поверхности отклика полиномом: второго порядка — в приложение 1.