close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров комбинированного культиватора с тросовым и катковым рабочими органами для предпосевной обработки почвы

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ТЕЛИЧКИНА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО
КУЛЬТИВАТОРА С ТРОСОВЫМ И КАТКОВЫМ РАБОЧИМИ
ОРГАНАМИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Троицк – 2018
2
Работа выполнена на кафедре «Тракторы, сельскохозяйственные
машины и земледелие» федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Южно-Уральский
государственный аграрный университет».
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Поликутин Николай Григорьевич
Официальные оппоненты: Мазитов Назиб Каюмович, доктор
сельскохозяйственных наук, профессор,
член-корреспондент РАН, профессор кафедры
«Машины и оборудование в агробизнесе»
ФГБОУ ВО «Казанский государственный
аграрный университет»
Кокошин Сергей Николаевич, кандидат
технических наук, доцент, доцент кафедры
«Лесное хозяйство, деревообработка и
прикладная механика» ФГБОУ ВО
«Государственный аграрный университет
Северного Зауралья»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный
аграрный университет»
Защита состоится «20» декабря 2018 г., в 15-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 220.066.02 на базе ФГБОУ ВО «ЮжноУральский государственный аграрный университет» по адресу: 454080, г.
Челябинск, пр. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Южно-Уральский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан «26» октября 2018 г. и размещен на
официальном сайте ВАК при Министерстве науки и высшего образования
Российской федерации http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВО
«ЮУрГАУ» http://юургау.рф.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Запевалов
Михаил Вениаминович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В технологии возделывания
сельскохозяйственных культур предпосевная обработка почвы является
одним из главных её элементов. От высокого качества и своевременности
проведения предпосевной обработки почвы зависят сохранение в почве
влаги, выровненность поверхности поля, уничтожение сорняков и глубина
посева возделываемых культур. Это особенно относится к посеву
мелкосемянных культур (рапс, люцерна, клевер и др.), которые требуют
мелкую заделку семян.
Признавая высокий уровень конструктивной разработки рабочих
органов и машин для предпосевной обработки почвы, следует отметить
имеющие место недостатки в показателях качества подготовки почвы к
посеву. Конструктивные параметры лаповых рабочих органов
культиваторов, в особенности стрельчатых универсальных и
рыхлительных, не позволяют производить обработку почвы без выноса
влажных слоев почвы на поверхность поля. Они не обеспечивают
требуемой дифференциации почвенной структуры в посевном слое, имеет
место приживаемость срезанных сорняков после обработки. Поэтому
возникает необходимость в разработке новых рабочих органов,
обеспечивающих выполнение требований к предпосевной обработке
почвы, в частности для мелкосемянных культур. В связи с этим,
разработка и обоснование параметров культиватора для предпосевной
обработки почвы с тросовым и катковым рабочими органами, которые
обеспечивают условия для роста и развития мелкосемянных культур,
является актуальной и требует практического решения.
Степень разработанности темы исследования. Вопросами
повышения эффективности предпосевной обработки почвы в разные годы
занимались многие ученые в нашей стране и за рубежом. Были
разработаны и успешно применяются на сельскохозяйственных
предприятиях
культиваторы
с
различными
конструктивными
параметрами. Они позволяют обеспечить обработку почвы в соответствии
с агротехническими требованиями. Однако, для предпосевной обработки
почвы под посев мелкосемянных культур, которые требуют качественной
подготовки почвы, не было найдено эффективного технического решения.
Поэтому данный вопрос требует детальной проработки.
Цель исследования – повышение эффективности предпосевной
обработки почвы при возделывании мелкосемянных культур.
Гипотеза исследования. Обеспечить качественную предпосевную
обработку почвы при возделывании мелкосемянных сельскохозяйственных
культур
возможно
применением
комбинированного
культиватора с тросовым и катковым рабочими органами.
4
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. установить закономерности энергетических показателей
поверхностной обработки почвы от конструктивных параметров
культиватора с тросовым и катковым рабочими органами;
2. разработать расчетную схему для определения тягового
сопротивления тросового и каткового рабочих органов комбинированного
культиватора для предпосевной обработки почвы и обосновать его
конструктивные параметры;
3. изготовить по обоснованным параметрам культиватор с тросовым и катковым рабочими органами, изучить его работоспособность,
технологические и энергетические показатели и заложить полевые опыты
по возделыванию мелкосемянных культур;
4. определить
экономическую
эффективность
применения
экспериментального культиватора на предпосевной обработке почвы в
сравнении с традиционными способами предпосевной обработки.
Объект исследования: технологический процесс обработки почвы
экспериментальным культиватором с тросовым и катковым рабочими
органами.
Предмет исследования: закономерности качественных показателей
обработки почвы экспериментальным культиватором и его тягового
сопротивления при различных конструктивных параметрах.
Научная новизна
1. Установлены закономерности качественных и энергетических
показателей поверхностной обработки почвы от конструктивных
параметров культиватора с тросовым и катковым рабочими органами.
2. Обоснованы конструктивные параметры культиватора с тросовым
и катковым рабочими органами. Получено два патента на полезную
модель: «Почвообрабатывающее орудие» № 130188 и «Тросовый
культиватор для сплошной обработки почвы» № 147810.
3. Дана сравнительная экономическая оценка разработанного
культиватора.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. На основе теоретических и экспериментальных исследований
разработан культиватор с тросовым и катковым рабочими органами с
рациональными
конструктивными
параметрами,
позволяющими
обеспечить качественную предпосевную обработку почвы со сравнительно невысокими энергозатратами, минимальным выносом влажных слоев
почвы на поверхность поля и созданием посевного слоя с
дифференцированием по плотности сложения.
Экспериментальный культиватор прошел испытания на опытном
поле Института агроэкологии при участии Уральского испытательного
5
центра сельскохозяйственной техники (УИЦ СХТ) и рекомендован к
производству.
Результаты
исследований
рекомендуется
использовать
предприятиям-изготовителям
сельскохозяйственной
техники
при
проектировании новых почвообрабатывающих машин. Разработки могут
быть внедрены в производство в качестве дополнительного сменного
модуля к блочно-модульным культиваторам разных модификаций при
подготовке почвы под посев зерновых культур, в особенности
мелкосемянных.
Методология
и
методы
исследования.
Исследования
технологического
процесса
предпосевной
обработки
почвы
культиватором с тросовым и катковым рабочими органами проводились
на
основе
законов
земледельческой
механики,
агротехники,
математического моделирования, по стандартным методикам.
Положения, выносимые на защиту
1. Конструкция культиватора с тросовым и катковым рабочими
органами с рациональными конструктивными параметрами.
2. Зависимости тягового сопротивления тросового и каткового
рабочих органов от их конструктивных параметров.
3. Результаты экспериментальных исследований культиватора с
тросовым и катковым рабочими органами, подтверждающие повышение
его агротехнических показателей и снижение энергетических затрат при
подготовке почвы к посеву (на примере возделывания ярового рапса).
4. Показатели
экономической
эффективности
применения
культиватора с тросовым и катковым рабочими органами при
возделывании мелкосемянных культур.
Степень достоверности и апробация результатов
Результаты теоретических и экспериментальных исследований
доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях
Южно-Уральского ГАУ (ЧГАА) в 2010-16 годах. По материалам
диссертационной работы опубликовано 11 научных трудов, в том числе 3
в журналах, входящих в Перечень рецензируемых изданий. Получено 2
патента на полезную модель.
Работа отмечена золотой и бронзовой медалями на областной (г.
Челябинск, 2016 г.) и региональной (г. Курган, 2016 г.) выставках научных
разработок в сфере АПК.
Результаты диссертационной работы приняты для внедрения.
Экспериментальный культиватор с тросовым и катковым рабочими
органами включен в технологический процесс предпосевной обработки
почвы под посев зерновых культур предприятием ООО «Агрофирма
«Ильинка». Предприятием ООО «Челябинский компрессорный завод»
6
изготовлен опытный образец сменного модуля с тросовым и катковым
рабочими органами для предпосевной обработки почвы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, показаны
цель, гипотеза, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования, приведены положения, выносимые на защиту, степень достоверности и реализация результатов исследования.
В первой главе «Состояние вопроса» проведен обзор исследований
по обоснованию агротехнических требований к предпосевной обработке
почвы и конструкций машин для предпосевной обработки с учетом физико-механических свойств почвы, выявлены их достоинства и недостатки.
Рассмотрены методы снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин, которыми занимались многие ученые у нас в стране
и за рубежом: В. П. Горячкин, Г. Н. Синеоков, П. М. Василенко, И. М. Панов, В. И. Ветохин, В. И. Виноградов, В. В. Бледных, Н. К. Мазитов, К. Т.
Мамбеталин, Р. С. Рахимов, С. Н. Капов, М. М. Константинов, С. Г. Мударисов и многие другие.
Анализ работ выше указанных авторов показал, что основными способами снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин
являются: модернизация геометрических параметров рабочих органов,
применение смазывающих сред и материалов с низкими фрикционными
свойствами, использование вибрирующих рабочих органов. Самым распространенным из них является модернизация геометрических параметров рабочих органов.
Проведенный обзор конструкций почвообрабатывающих машин показал, что большинство современных агрегатов имеют комбинации рабочих органов. Такие машины способны за один проход выполнять рыхление, уничтожение сорняков, выравнивание и прикатывание почвы. Это
позволяет сократить сроки весенне-полевых работ, повысить производительность агрегатов, сократить энергозатраты на подготовку почвы к посеву сельскохозяйственных культур. Однако почвообрабатывающие машины с традиционными рабочими органами имеют ряд недостатков:
излишнее рыхление и вынос рабочими органами влажных слоев
почвы на поверхность поля за счет конструктивных особенностей рабочих
органов и их стоек;
на влажных участках поля наблюдается нарушение технологического процесса прикатывания из-за забивания катков и рабочих органов почвой и растительными остатками;
высокая металлоемкость агрегата и, как следствие, повышение стоимости агрегата и энергоемкости технологического процесса.
7
Проведенный анализ позволил сформулировать цель и задачи исследований.
Во второй главе «Обоснование параметров культиватора с тросовым и катковым рабочими органами для поверхностной обработки почвы»
проведены исследования по определению конструктивных параметров
тросового рабочего органа и планчатого двухбарабанного катка с учетом
агротехнических требований к поверхностной обработке. Изучено тяговое
сопротивление тросового и каткового рабочих органов при поверхностной
обработке почвы. Схема культиватора с тросовым и катковым рабочими органами представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Конструктивная схема культиватора с тросовым и катковым
рабочими органами: 1 – стойка крепления троса; 2 – рама орудия; 3 – трос; 4 –
брус регулирования положения передней стойки; 5 – двухбарабанный каток
Одним из основных параметров подрезающего (тросового) рабочего
органа является угол раствора 2γ, который зависит от фрикционных
свойств корней сорняков и почвы, вступающих во взаимодействие с тросом и механического состава почвы.
Необходимо определить максимально возможный угол раствора
троса, при котором вероятность его забивания отсутствует.
Конструктивно трос закреплен на жестких вертикальных стойках в
точках С, А и В (рисунок 2), лежащих в одной горизонтальной плоскости и
образующих равнобедренный треугольник с основанием СВ.
8
Пусть ветвь троса АВ перемещается в направлении оси X со скоростью движения агрегата υ. При этом на частицу, находящуюся в контакте
с тросом, действует сила сопротивления Р. Разложим силу Р на составляющие – силу нормального давления N и касательную силу Т. Эти составляющие можно определить как
T  P  cos 
N  P  sin 
(1)
Сила трения F вычисляется по формуле
F  N  f  P  sin   tg
(2)
где f – коэффициент трения почвы о сталь; φ – угол трения почвы о сталь, град.
Рисунок 2 – Схема к определению оптимального угла раствора троса
Из условия скользящего резания почвы о сталь
TF.
(3)
Подставляя значения сил Т и F в условие (3), имеем:
2  290   
(4)
При известных значениях угла трения φ почвы разного механического состава от влажности (от 14° до 42°) согласно условию (4), построены
зависимости (рисунок 3), позволяющие определить угол раствора троса
при работе в разных почвенных условиях.
Рисунок 3 – Зависимость угла раствора троса от влажности почв разного механического состава: 1 – песчаная; 2 – супесчаная; 3 – тяжелые суглинки и глины
Тогда для обеспечения работы тросового рабочего органа с соблюдением агротехнических требований угол раствора троса должен регулироваться в пределах 2γ = 90÷150°. Для этого кронштейн крепления передней
9
стойки орудия (см. рисунок 1) должен иметь возможность перемещаться
по раме в пределах от lmin до lmax.
В процессе работы трос представляет собой режущую кромку рабочего
органа с цилиндрической рабочей поверхностью малого радиуса, на которой в процессе обработки почвы возможно образование почвенного клина.
Поэтому обработку почвы тросовым рабочим органом можно рассматривать как резание клином с определенными параметрами (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема взаимодействия тросового рабочего органа с почвой
В процессе работы горизонтальная составляющая тягового сопротивления тросового рабочего органа Рх определяется по следующей зависимости:
Px  P  Pg  PV  Pc
(5)
где Pτ – сила сопротивления сдвигу почвы, кН; Pg – сила сопротивления от тяжести почвы на клине, кН; PV – сила сопротивления от динамического давления
почвы, кН; Pс – сила сопротивления стоек тросового рабочего органа, кН.
Для определения сил Pτ, Pg и PV рассмотрено взаимодействие почвенного клина, образованного тросовым рабочим органом, с почвой. Для
определения силы Рс выведена ее зависимость от площади деформации
почвы F и удельного сопротивления почвы k.
Горизонтальная составляющая тягового сопротивления тросового
орудия определяется по формуле
c  d b
d    b  a  tg2   b  d  V
Px 



sin 
cos 2
 cos 

2
sin   cos 2  
 tg 2 
cos

2


 2a  a   tg2  l  (a  a)  k  n ,
(6)
где с – сила сцепления, кН/м2 ; d – диаметр троса, м; b – ширина захвата тросового рабочего органа, м; α – угол наклона поверхности сдвига к горизонтали,
град.; ρ – удельный вес почвы, кН/м3; а – глубина хода тросового рабочего органа, м; Δа – глубина хода долота ниже глубины хода троса, м; φ2 – угол трения
почвы о почву; V – скорость движения агрегата, м/с; l – ширина долота стойки,
м; k – удельное сопротивление почвы стойке рабочего органа, кН/м2; n – количество стоек, шт.
10
Согласно формулы (6) получена доля влияния каждой из сил Pτ, Pg, Pν
и Рс, %, на тяговое сопротивление тросового рабочего органа (рисунок 5).
Рисунок 5 – Доля составляющих тягового сопротивления в зависимости
от ширины захвата b агрегата
На горизонтальную составляющую тягового сопротивления тросового
рабочего органа в большей степени оказывают влияние силы сопротивления сдвигу почвы Pτ и сопротивления стоек тросового рабочего органа Pс.
С увеличением ширины захвата агрегата от 1 до 3 м доля влияния силы
сопротивления сдвигу почвы Pτ существенно увеличивается (с 31,0 до
51,7 %), тогда как с той же динамикой уменьшается (с 60,0 до 33,4 %) доля
влияния силы сопротивления стоек Pс тросового рабочего органа. При
ширине захвата культиватора b = 2 м доли влияния сил сопротивления
сдвигу почвы Pτ и сопротивления стоек тросового рабочего органа Pс на
тяговое сопротивление тросового рабочего органа выравниваются. Влияние силы сопротивления от динамического давления почвы PV увеличивается на 5,9 % (с 8,8 до 14,7 %). Сила сопротивления от тяжести почвы на
клине Pg влияет незначительно и увеличивается несущественно (с 0,2 до
0,3 %).
Для определения влияния основных конструктивных параметров тросового рабочего органа на его тяговое сопротивление воспользуемся формулой (6). Исходные данные для расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Исходные данные для расчетов
№
п/п
1
2
3
Параметр
Угол трения почвы о почву
Угол наклона поверхности сдвига к горизонтали
Сила сцепления (при влажности почвы w
= 12÷30 %)
Ед. измерения
град.
Обозначение
φ2
град.
α
49,9
кН/м2
с
20
Величина
40,1
11
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Удельный вес почвы
Удельное сопротивление почвы стойке
рабочего органа
Скорость движения агрегата
Количество стоек крепления троса
Глубина хода долота стойки относительно глубины хода троса
Ширина долота рабочего органа
Глубина обработки
Ширина захвата агрегата
Диаметр троса
кН/м3
ρ
25,5
кН/м2
k
15÷20
м/с
шт.
V
n
2,8
3
м
Δа
0,02
м
м
м
м
l
а
b
d
0,05
0,05
1,0÷3,0
0,002÷0,006
Полученные данные в виде графиков представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Зависимость горизонтальной составляющей тягового сопротивления Px тросового рабочего органа от ширины захвата b культиватора при различном диаметре троса d
Используя зависимость Бледных В. В., провели ориентировочную
оценку тягового сопротивления культиватора Pкр, кН, (см. рисунок 6) для
сплошной обработки почвы при тех же исходных данных
Pкр  1,3kab  abV 2 , кН,
где k – удельное сопротивление почвы при обработке данными рабочими органами (кН/м2); а – глубина обработки, м; b – ширина захвата орудия, м; ε – коэффициент, учитывающий форму рабочего органа орудия (принимаем ε =
1 кНс2/м2); V – скорость движения агрегата при работе, м/с; 1,3 – ориентировочный коэффициент, учитывающий вес агрегата.
Для обоснования выбора диаметра d троса, как основного конструктивного параметра тросового культиватора, примем условие
Px ≤ Pкр.
12
Тогда для культиватора шириной захвата b = 2 м необходимо использовать трос диаметром d = 3 мм.
Для обеспечения качественной предпосевной обработки почвы, в
частности получения выровненной поверхности поля и мелкокомковатой
структуры, применяются катки. Лучшие показатели по подготовке почвы
к посеву мелкосемянных культур обеспечивают двухбарабанные катки.
В процессе работы на двухбарабанный каток действуют следующие
силы (рисунок 7):
G1 – сила тяжести наружного барабана, кН;
G2 – сила тяжести внутреннего барабана, кН;
P – сила сопротивления катка, действующая вдоль поводка, кН;
R – сила сопротивления почвы внедрению планок катка в почву, кН;
Rx – сила взаимодействия планок катка с почвой, кН;
T – сила взаимодействия между барабанами, кН;
F – сила трения между барабанами, кН;
F0 – сила сжатия пружины догружателя, кН.
Рисунок 7 – Схема к определению сил, действующих на двухбарабанный каток
Горизонтальная составляющая тягового сопротивления катка Px, кН,
зависит от его конструктивных параметров и физико-механических
свойств почвы
Rx    b  lп.нар  nп 0  cos  0   Dk21в н  b  с   
 G1
  cos  .
Px  


(7)
sin

f

sin

4

sin



где α – угол наклона поводка, град., ρ – коэффициент сопротивления сдвигу
почвы (δ = 0,1-0,3 кг/см2 = 10-30 кН/м2); b – ширина захвата, м; lп.нар – толщина
планки наружного барабана, м; nn0 – количество планок, находящихся в контакте с почвой, шт.; f – коэффициент трения почвы о сталь (f = 0,5-0,8); Dk1вн – диаметр по внутренней поверхности планок наружного барабана, м; с – коэффициент наполнения катка (с = 0,1-0,2); ρ – удельный вес почвы, кН/м3.
13
По формуле (7) определена горизонтальная составляющая тягового
сопротивления катка и обоснованы его основные конструктивные параметры. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Исходные данные для расчетов
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Параметр
Глубина хода катка
Угол наклона поводка
Удельный вес почвы
Коэффициент сопротивления сдвигу
почвы
Коэффициент наполнения катка
Коэффициент перекатывания наружного
барабана по почве
Коэффициент буксования внутреннего
барабана относительно наружного
Коэффициент трения почвы о сталь
Толщина планок наружного и внутреннего барабанов
Диаметр наружного барабана
Диаметр внутреннего барабана
Ширина захвата агрегата
Ед. измерения
м
град.
кН/м3
Обозначение
а
α
ρ
кН/м2
δ
10÷30
с
0,1
ηk1
0,95
ηk2
0,9
f
0,5÷0,8
м
lп.нар., lп.вн.
4∙10-3
м
м
м
Dk1нар
Dk2
b
2 Dk2
0,20÷0,35
1,0÷3,0
Величина
0,1
20
25,5
Результаты расчетов представлены в виде графиков (рисунок 8).
Рисунок 8 – Зависимость горизонтальной составляющей тягового сопротивления катка Px от ширины захвата b культиватора при различном диаметре внутреннего барабана Dk2
Удельное сопротивление традиционного катка с негладкой поверхностью kуд = 0,6÷0,9 кН/м, тогда его критическое сопротивление Pкр, кН, (см.
рисунок 8) можно определить как
14
Pкр  k уд  b , кН,
где b – ширина захвата, м.
Для обоснования диаметра экспериментального двухбарабанного катка примем условие
Px ≤ Pкр.
Для выполнения данного условия рекомендуется принять диаметр
внутреннего барабана Dk2 = 0,25 м; диаметр наружного барабана Dk1нар =
2Dk2 = 0,5 м.
Согласно агротехническим требованиям к качеству предпосевной обработки на поверхности поля не допускается наличие комков почвы размером более 10 см, а в обработанном слое должны преобладать частицы
размером до 2,6 см. Рекомендуется принять расстояние между планками
наружного барабана lп1 = 10 см, lп2 = 2,6 см. Тогда при Dk2 = 0,25 м и Dk1нар
= 0,5 м их количество на наружном барабане nп1 = 16 шт., на внутреннем –
nп2 = 30 шт. Планки на барабанах расположены по окружности радиально,
равномерно. Выступающая за боковые диски часть планок наружного барабана определяется глубиной посева и равна 2 см.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложены цель и задачи экспериментальных исследований, представлены
схемы и технологический процесс работы экспериментальной установки
(рисунок 9), а также содержание методик, используемых в исследованиях.
Рисунок 9 – Экспериментальная установка
Сравнительная оценка качественных показателей обработки почвы
проводилась на опытном поле Института агроэкологии (филиала ЮУрГАУ) на протяжении вегетационного периода 2013 г. Проводилось определение структурного состава, влажности, гребнистости и засоренности
сорной растительностью до и после обработки поля агрегатами с традиционными и экспериментальными рабочими органами. В качестве традиционного агрегата был использован культиватор КПЭ-3,8, оснащенный ра-
15
бочими органами для предпосевной обработки почвы с углом крошения
12-18°, с боронами БЗСС-1,0 в два следа.
Испытания по сравнительной оценке тяговых сопротивлений агрегатов с традиционным и экспериментальным культиватором проводились в
2015 г. по ГОСТ 20915-2011. Определяли характеристики поля (уклон, засоренность почвы пожнивными остатками) и почвы (агрегатный состав,
влажность, твердость, плотность).
Определение показателей энергетической оценки проводилось по
ГОСТ 52777-2007 и заключалось в сравнительной оценке тягового усилия
экспериментального культиватора с тросовым и катковым рабочими органами и традиционного культиватора при сплошной обработке почвы.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований»
приведены результаты сравнительных испытаний традиционного и экспериментального культиваторов, показывающие влияние различных видов
обработок почвы на структурный состав, гребнистость, засоренность,
влажность поверхностных слоев, а также всхожесть, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур (на примере ярового рапса). Приведена сравнительная энергетическая оценка показателей работы традиционного и экспериментального культиваторов.
Сравнительная оценка структурного состава почвы при различных
видах обработки представлена в таблице 3.
Таблица 3 – Влияние обработки почвы на ее структурный состав
Вид
обработки
> 10 мм
до обработки
37,6
традиционная культива45,8
ция с боронованием
культивация
экспери28,4
ментальной установкой
традиционная культивация с эксперименталь28,2
ным катком
Содержание фракций, %
7-10 мм
5-7 мм
3-5 мм
6,5
7,7
9,5
2-3 мм
28,4
< 2 мм
10,3
3,8
5,6
9,3
27,3
8,1
7,5
15,1
36,4
9,5
3,1
5,9
6,8
20,8
30,3
8,0
После прохода тросового и каткового рабочих органов и традиционного культиватора, оборудованного экспериментальным катком, процентное содержание агрегатов более 10 мм заметно снизилось – до 28,228,4 %, причем наблюдалось полное отсутствие комков почвы более
50 мм. Почти половину всего объема пробы стали занимать агрегаты размером 2-5 мм.
При обработке экспериментальным культиватором с тросовым и
катковым рабочими органами обеспечивается лучшая выровненность
поверхности поля по сравнению с традиционным видом обработки.
Использование экспериментального двухбарабанного планчатого катка
вслед за традиционным культиватором дало также положительный
результат (таблица 4). Среднеквадратическое отклонение неровностей
16
поверхности поля после обработки с экспериментальным катком
составляло 1,6-1,7 см, что на 37 % меньше, чем при работе культиватора с
боронами.
Таблица 4 – Гребнистость поверхности поля
Среднеквадратичное
отклонение, (σ), см
2,7
1,6
1,7
Вид обработки
традиционная культивация с боронованием
культивация экспериментальной установкой
традиционная культивация с экспериментальным катком
Оценка качества уничтожения и приживаемости сорняков
проводилась количественным методом по следующим показателям: число
сорняков на 1 м2 сразу после обработки и через семь дней после обработки
(таблица 5).
Таблица 5 – Влияние способов предпосевной подготовки почвы на
засоренность
Вид обработки
традиционная культивация с боронованием
культивация экспериментальной установкой
традиционная культивация с экспериментальным катком
Количество сорняков шт., м2
сразу после
через 7 дней после
обработки
обработки
0,5
5,3
0,0
1,0
0,1
1,3
Полное уничтожение сорняков в большей или меньшей степени
обеспечили все культиваторы, принимавшие участие в эксперименте. На
участках, обработанных традиционным способом, отмечена высокая приживаемость сорняков. Наблюдалось появление сорной растительности в
количестве 5,3 шт./м2, тогда как на участках, обработанных
экспериментальной установкой и традиционным культиватором в
сочетании с экспериментальным катком их количество составило 1,0-1,3
шт./м2.
Разработанный культиватор осуществляет сплошную обработку
почвы без выноса влажных слоев почвы на поверхность поля, за
исключением полос по следу стоек.
Показатель сохранения влаги в почве оценивался весовым методом.
Пробы почвы отбирались до и после прохода агрегата равномерно по
ширине захвата с поверхностного слоя (глубиной до 5 см). Средние
значения влажности поверхностного слоя при разных способах обработки
приведены в таблице 6.
Исследования показали, что после прохода экспериментального
агрегата влажность поверхностного слоя почвы значительно повышается
только по следу стоек (до 20-21 %), тогда как в промежутках между
стойками остается практически такой же, как до обработки (9-10 %).
17
Поэтому среднее значение влажности поверхностного слоя почвы после
обработки экспериментальным культиватором значительно меньше
(15,1 %), чем после обработки традиционным (19,7 %).
Таблица 6 – Влияние способов предпосевной подготовки почвы на
влажность поверхностного слоя почвы
Вид обработки
до обработки
традиционная культивация с боронованием
культивация экспериментальной установкой
традиционная культивация с экспериментальным катком
Средние значения влажности
почвы, %
9,6
19,7
15,1
18,0
В полевом опыте высевался яровой рапс сорта «Ратник»,
возделывание которого проходило по общепринятой технологии.
Экспериментальные данные показали, что на участках,
обработанных экспериментальной установкой, были получены более
дружные и равномерные всходы и, как следствие, была получена более
высокая урожайность рапса: на зеленую массу – 119,1 ц/га, на сухую
массу – 26,8 ц/га (рисунок 10).
Урожайность зеленой массы ярового рапса, полученная с участков,
обработанных экспериментальным культиватором, на 21,7 % выше урожайности, полученной с участков, обработанных традиционным способом, сухой массы – на 15,3 %.
Прослеживается положительное влияние на динамику появления
всходов и урожайность за счет оснащения традиционного культиватора
планчатым двухбарабанным катком взамен зубовых борон.
Рисунок 10 – Диаграмма сравнительной оценки урожайности
18
В 2015 г. совместно с Уральским испытательным центром
сельскохозяйственной техники Южно-Уральского ГАУ на опытном поле
Института агроэкологии были определены энергетические показатели
работы агрегата по ГОСТ 52777-2007. Целью данного испытания являлась
сравнительная оценка тягового сопротивления экспериментального
культиватора с тросовым и катковым рабочими органами и
традиционного культиватора при сплошной обработке почвы.
В процессе эксперимента были определены горизонтальные составляющие тягового сопротивления при перемещении укомплектованного
экспериментального культиватора в транспортном положении и при
сплошной обработке культиватором в различной комплектации при установленной глубине обработки 5 см и скорости движения агрегата 2,8 м/с.
(таблица 7).
Таблица 7 – Значения горизонтальных составляющих тяговых
сопротивлений (ширина захвата b = 1 м)
№ п/п
1
2
3
4
Варианты
Перемещение укомплектованного экспериментального культиватора в
транспортном положении
Выполнение сплошной обработки экспериментальным культиватором в
полной комплектации
Выполнение сплошной обработки тросовым рабочим органом без катка
Выполнение сплошной обработки традиционными рабочими органами
Рх, кН
3,07
3,36
2,64
4,29
Тяговое сопротивление при сплошной обработке традиционным
культиватором (4,29 кН) больше, чем при обработке экспериментальным
культиватором (3,36 кН) на 21,7 %. Это влечет за собой снижение
энергетических
затрат
и
позволяет
ожидать
экономической
эффективности экспериментального культиватора.
Выбранная схема эксперимента позволяет определить значения
тяговых сопротивлений, приходящихся на тросовый и катковый рабочие
органы в отдельности, путем вычитания соответствующих значений.
Так, по данным эксперимента на тросовый рабочий орган
приходится 2,64 кН, на катковый (разница между вторым и третьим
вариантами) – 0,72 кН.
Расхождение теоретических и экспериментальных данных находится
в допустимых пределах – 10 % (рисунок 11).
В пятой главе «Экономическая эффективность использования
культиватора с тросовым и катковым рабочими органами» приведена
сравнительная оценка экономической эффективности экспериментального
и традиционного культиваторов по уровню совокупных (в том числе
прямых эксплуатационных) затрат без включения в систему машин
зональных агротехнологий (на культивацию) и с включением в систему
19
машин зональных агротехнологий
производства ярового рапса).
(в
технологический
процесс
Рисунок 11 – Значения теоретических и экспериментальных данных
горизонтальных составляющих тягового сопротивления Рх тросового и
каткового рабочих органов (ширина захвата b = 1 м)
Экономическая эффективность предпосевной обработки почвы с
применением экспериментального культиватора (без включения в систему
машин зональных агротехнологий) обеспечивается за счет снижения
затрат на зарплату (на 7,5 %), расход топлива (на 16,0 %), ремонт и ТО (на
38,8 %) и амортизацию техники (на 41,3 %). Годовой экономический
эффект в расчете на 1 га составит 50,6 руб. при снижении совокупных
затрат денежных средств на 21,0 %.
Включение экспериментального культиватора в систему машин
зональных агротехнологий позволит снизить себестоимость продукции на
20,2 % по сравнению с базовым вариантом и повысить чистый доход на
37,8 % (на 3720,7 руб./га) за счет увеличения урожайности с 9,33 до 11,91
т/га. При значительно меньших капитальных вложениях (на 54,5 %) срок
окупаемости новой техники составит 5,1 лет, базовой – 9,1 лет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Установлены закономерности тягового сопротивления культиватора с тросовым и катковым рабочими органами от его конструктивных
параметров.
На тяговое сопротивление культиватора в большей степени оказывают влияние ширина захвата культиватора, диаметр троса и диаметры
барабанов катка. Тяговое сопротивление тросового рабочего органа культиватора шириной захвата b = 2 м с тросом диаметром d от 1 до 6 мм изменяется от 2,0 до 5,5 кН. Тяговое сопротивление каткового рабочего ор-
20
гана культиватора шириной захвата b = 2 м с внутренним катком диаметром Dk2 от 0,20 до 0,35 м изменяется от 1,35 до 1,74 кН.
2. Разработаны расчетные схемы для определения тягового сопротивления тросового и каткового рабочих органов комбинированного
культиватора для предпосевной обработки почвы и обоснованы его конструктивные параметры.
Тросовый рабочий орган:
– ширина захвата – b = 2 м.
– количество стоек – 3 шт.;
– угол раствора троса 2γ = 120° для обработки тяжелых суглинистых
почв;
– диаметр троса d = 3 мм;
Катковый рабочий орган:
– диаметр внутреннего барабана Dk2 = 0,25 м;
– диаметр наружного барабана Dk1нар = 0,5 м;
– планки на барабанах расположены по окружности радиально;
– выступающая за боковые диски часть планок наружного барабана
равна 2 см;
– количество планок на наружном барабане nп1 = 16 шт., на внутреннем – nп2 = 30 шт.
3. При постоянной скорости движения агрегата (V = 10 км/ч) и глубине обработки а = 5 см экспериментальный культиватор обеспечивает
следующие технологические и энергетические показатели:
– качественный структурный состав посевного слоя почвы: содержание агрегатов более 10 мм составило 28,4 % от общего объема
пробы, причем наблюдается полное отсутствие комков почвы более
50 мм; содержание агрегатов размером 2-5 мм составило 45,9 %;
– лучшую выровненность поверхности поля по сравнению с традиционным видом обработки: среднее квадратическое отклонение неровностей поверхности поля после обработки экспериментальным
культиватором составило 1,7 см, что меньше гребнистости поля после традиционной обработки на 37 %;
– полное уничтожение сорняков по всей ширине захвата и исключает их приживаемость;
– максимальное сохранение почвенной влаги: влажность поверхностного слоя почвы повышается только по следу стоек, тогда как в
промежутках между стойками остается практически такой же, как
до обработки;
– более ранние и дружные всходы возделываемой культуры и повышение урожайности: урожайность зеленой массы ярового рапса,
полученная с участков, обработанных экспериментальным культиватором, на 21,7 % выше урожайности, полученной с участков, обра-
21
ботанных традиционным способом;
– снижение тягового сопротивления: при обработке экспериментальным культиватором тяговое сопротивление составило 3,36 кН,
что на 21,7 % ниже, чем при обработке традиционным культиватором (4,29 кН).
4. Годовой экономический эффект при предпосевной культивации в
расчете на 1 га составит 50,6 руб. при снижении совокупных затрат денежных средств на 21,0 %. Включение экспериментального культиватора
в систему машин производства ярового рапса позволит снизить себестоимость продукции на 20,2 % по сравнению с базовым вариантом и повысить чистый доход на 37,8 % (на 3720,7 руб./га) за счет увеличения урожайности с 9,33 до 11,91 т/га.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы
в следующих работах
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Теличкина Н.А. Культиватор для предпосевной обработки почвы с
тросовым рабочим органом // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 8. С. 57.
2. Поликутин Н.Г., Теличкина Н.А. Теоретическое и экспериментальное определение тягового сопротивления тросово-каткового культиватора // Тракторы и сельхозмашины. 2015. – № 10. – С. 10-12.
3. Поликутин Н.Г., Рахимов И.Р., Теличкина Н.А. Обоснование параметров культиватора с тросовым рабочим органом для предпосевной
обработки почвы // АПК России. 2017. – Т. 24. – № 5. – С. 1195-1200.
Публикации в других изданиях
4. Теличкина Н.А. Обоснование параметров комбинированного
культиватора для предпосевной обработки почвы // Вестник Челябинского
государственного агроинженерного университета. Т. 50. – Челябинск:
Изд-во ЧГАУ, 2007. – С. 116-119.
5. Теличкина Н.А. Экспериментальная установка для мелкой поверхностной обработки почвы // Материалы XLVIII международной научно-технической конференции "Достижения науки – агропромышленному
производству". Ч. 4 / ЧГАУ. – Челябинск: 2009. – С. 240-243.
6. Поликутин Н.Г., Теличкина Н.А. Планчатый каток к машинам для
поверхностной обработки почвы // Материалы LI международной научнотехнической конференции "Достижения науки – агропромышленному
производству". Ч. 3 / ЧГАА. – Челябинск: ЧГАА, 2012. – С. 184-187.
7. Теличкина Н.А. Лабораторно-полевые исследования тросовокаткового рабочего органа // Вестник Челябинской государственной агроинженерной академии. 2013. – Т. 63. – С. 78-81.
22
8. Теличкина Н.А. Результаты экспериментальных исследований
культиватора с тросовым и катковым рабочими органами // Наука и образование в XXI веке: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 сентября 2013 г.: в 34 частях. Часть 22; М-во образования и науки РФ. – Тамбов: Изд-во ТРОО
«Бизнес-Наука-Общество», 2013. – С. 121-124.
9. Теличкина Н.А., Батраева О.С. Конструктивные параметры культиватора с тросовым рабочим органом // Материалы LIII международной
научно-технической конференции "Достижения науки – агропромышленному производству". Ч. 2 / ЧГАА. Челябинск: ЧГАА, 2014. С. 239-242.
10. Поликутин Н.Г., Батраева О.С., Теличкина Н.А. Экспериментальные исследования сил сопротивления тросово-каткового культиватора
// Материалы LIV международной научно-технической конференции "Достижения науки – агропромышленному производству". Ч. 2 / ЧГАА. – Челябинск: ЧГАА, 2015. – С. 249-254.
11. Поликутин Н.Г., Теличкина Н.А. Культиватор с тросовым и катковым рабочими органами для предпосевной обработки почвы // Каталог
научных разработок / под ред. докт. техн. наук П. Г. Свечникова. – Челябинск: ЧГАА, 2015. – С 37-39.
Патенты
12. Патент на полезную модель № 130188 РФ, МПК А01В29/00.
Почвообрабатывающее орудие / Поликутин Н. Г., Теличкина Н. А., Рахимов Р. С., Коновалов В. Н. № 2013102094/13; заявл. 16.01.2013; опубл.
20.07.2013.
13. Патент на полезную модель № 147810 РФ, МПК А01В35/00. Тросовый культиватор для сплошной обработки почвы / Поликутин Н. Г., Теличкина Н. А., Кокорин А. Ф., Шепелёв С. Д. № 2014120725/13; заявл.
22.05.2014; опубл. 20.11.2014.
Подписано в печать 17.10.2018. Формат 60×84/16
Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 0418
Отпечатано в типографии ООО «Фотохудожник»
454091, г. Челябинск, ул. Свободы, д. 155/1, оф. 57, 58
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа