Обоснование параметров и режимов работы комбинированной бороны для предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры

Вид материала

Автореферат

Содержание Гну «вим» Общая характеристика работы Цель работы. Объект исследования. Общая методика исследований. Научная новизна. Практическая значимость работы. Реализация результатов исследования. Структура и объем диссертации. Научные положения, выносимые на защиту Содержание работы В первом разделе «Состояние вопроса. Цели и задачи исследования» Во втором разделе «Теоретическое обоснование технологического процесса взаимодействия комбинированной бороны с почвой» В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» В пятом разделе «Экономическая оценка» Общие выводы и предложения Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Обоснование параметров и режимов работы

Подобный материал:

• Руководство и ключевой персонал, работающий над проектом, 19.92kb.
• Обоснование параметров фильтровой защиты электродвигателей от аварийных режимов работы, 294.67kb.
• Агроэкономическое обоснование севооборотов и обработки почвы в сзао емельяновское Емельяновского, 360.03kb.
• Осенняя обработка почвы для сахарной свеклы, 93.47kb.
• Агротехнические требования, 123.61kb.
• А. И. Болдырев влияние комбинированной электрохимикомеханической, 163.97kb.
• Примерная программа наименование дисциплины общее земледелие рекомендуется для направления, 130.8kb.
• Р. В. Гуров Методология проектирования операций, 149.09kb.
• Аннотация рабочей программы дисциплины «Земледелие» наименование дисциплины для направления, 36.44kb.
• 05. 02. 07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки, 24.16kb.

На правах рукописи


Голубев Денис Александрович


ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

КОМБИНИРОВАННОЙ БОРОНЫ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ

ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПОД МЕЛКОСЕМЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ


Специальность 05.20.01 – «Технологии и средства механизации

сельского хозяйства»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук


Москва

2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тверская государственная сельскохозяйственная академия» и государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации льноводства Россельхозакадемии»


Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Голубев Вячеслав Викторович


Официальные оппоненты: член-корреспондент РАСХН,

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Горбачёв Иван Васильевич


кандидат технических наук,

зав. отделом механизации

ресурсосберегающего и

экологически устойчивого земледелия,

ГНУ «ВИМ»

Сизов Олег Александрович


Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российский государственный аграрный

университет – МСХА имени К.А. Тимирязева»,


Защита диссертации состоится « 7 » _июня 2010 г. в _13_ часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, Лиственничная аллея, дом 16 «а», корпус 3, конференц-зал.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина».


Автореферат разослан «_4_» __мая__ 2010 г. и размещен на сайте
ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина» www.msau.ru «_4_» __мая___ 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.Г. Левшин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На сегодняшний момент в Российской Федерации наблюдается значительное сокращение посевных площадей для большинства сельскохозяйственных культур. Приоритетным направлением, программой развития сельского хозяйства до 2012 года, в качестве стратегических выделены мелкосеменные культуры, такие как лен – долгунец, яровой рапс, имеющие тенденцию дальнейшего увеличения посевных площадей.

Концепцией машинно-технологического обеспечения растениеводства на период до 2025 года предусматривается создание нового поколения органов и машин для обработки почвы, созданных на основе системного подхода, адаптивности технологических воздействий, в зависимости от зональных почвенно-климатических и агроландшафтных условий. Решение поставленной задачи базируется на научных исследованиях процесса взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов с почвой.

Бороны, используемые как отдельные рабочие органы, так и в составе комбинированных почвообрабатывающих машин, имеют существенные недостатки при выполнении процесса предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры. Следовательно, задача по обоснованию технологических, конструктивных параметров и режимов работы почвообрабатывающей бороны, является актуальной. Решение задачи должно осуществляться при системном подходе, с учетом условий работы бороны, что особенно важно для современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

Цель работы. Обоснование технологических, конструктивных параметров и режимов работы комбинированной бороны, обеспечивающей повышение качества и снижение энергоемкости предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры.

Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия комбинированной бороны с почвой при предпосевной обработке под мелкосеменные культуры.

Предмет исследования. Технологические, конструктивные параметры и режимы работы комбинированной бороны для предпосевной обработки почвы.

Общая методика исследований. Теоретические исследования проведены с использованием основных положений, законов и методов классической механики. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторно-полевых и производственных условиях по общепринятым методикам, в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и СТО, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Результаты экспериментальных исследований обработаны с использованием пакета компьютерных программ Microsoft Office 2007 и MathCAD 13.

Научная новизна. Теоретически обоснована модель взаимодействия комбинированной бороны с почвой и обоснована взаимосвязь конструктивных параметров и режимов работы комбинированной бороны, с учетом условий ее функционирования.

Практическая значимость работы. Результаты теоретических исследований позволили определить технологические, конструктивные параметры и режимы работы комбинированной бороны, обеспечивающей формирование качественно разрыхленного поверхностного слоя и равномерно уплотненного семенного ложа почвы. На рыхлительный рабочий орган комбинированной бороны получен патент РФ на полезную модель № 92757. На устройство комбинированной бороны, используемой в составе блочно – модульного адаптера и позволяющей повысить качество, снизить энергозатраты на предпосевную обработку почвы, подана заявка на изобретение № 2010109130. При использовании комбинированной бороны энергоемкость предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры снизилась на 318 МДж/га.

Реализация результатов исследования. Применение комбинированной бороны в производственных условиях подтвердили результаты теоретических и лабораторно-полевых исследований. Использование в составе блочно – модульного адаптера комбинированной бороны для предпосевной обработки почвы, повысило урожайность семян льна – долгунца и ярового рапса на 10 и 8 % соответственно, что подтверждено актами внедрения в сельскохозяйственных предприятиях Тверской области.

Апробация. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены в:

- ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия» (2008–2010 г.г.);

- ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» на межвузовской научно-практической конференции «Современные проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды» (2009);

- ГНУ ВИИТиН г. Тамбов, на ХV международной научно-практической конференции 18-19 сентября 2009 года;

- на выставке презентации инновационных проектов субъектов Российской Федерации Правительства города Москвы (2009);

- на выставке «Научно-технических идей и разработок» г. Тверь, 28-29 октября 2009г.;

- на ХХХIХ Уральском семинаре по механике и процессам управления, посвященный 85-летию со дня рождения академика В.П. Макеева 22-24 декабря 2009 года г. Миасс Челябинской области;

- на конференции молодых ученых Центрального Федерального округа Российской Федерации 25-27 ноября 2009 года г. Калуга.

Публикации. Основные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, опубликованы в 8 печатных научных работах из них 1 в издании, указанном в «Перечне …ВАК Минобразования и науки РФ». Получен патент РФ на полезную модель № 92757; подана заявка на изобретение № 2010109130. Общий объем опубликованных работ составляет 2,89 п.л., из которых 0,99 п.л. принадлежит лично автору.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и предложений, списка используемых источников и приложений. Работа содержит 179 страниц машинописного текста, 48 ил., 7 таблиц и 15 приложений и содержит 175 используемых источника, в том числе 3 на иностранных языках.

Научные положения, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости модели взаимодействия комбинированной бороны с почвой;

- технологическая и конструктивная схемы комбинированной бороны для предпосевной обработки почвы;

- результаты экспериментальных исследований, определяющие рациональные параметры и режимы работы комбинированной бороны для предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры;

- результаты производственных испытаний комбинированной бороны в составе блочно – модульного адаптера и технико-экономическая оценка его использования.


Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, практическая значимость для агропромышленного производства в современных условиях развития, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цели и задачи исследования» проведен анализ технологических процессов предпосевной обработки почвы, при возделывании мелкосеменных культур. Рассмотрена тенденция развития конструктивных особенностей рабочих органов и комбинированных машин для предпосевной обработки почвы, проведен анализ теоретических исследований проектирования и взаимодействия рабочих органов с почвой. Установлено, что для предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры наиболее перспективными являются ротационные рабочие органы. Обоснование параметров и режимов работы ротационных рабочих органов, с учетом физико-механических и технологических свойств почвы, позволит повысить качество предпосевной подготовки почвы и снизить энергоемкость процесса.

Значительный вклад по исследованию физико-механических и технологических свойств почвы, при ее обработке, внесли ученые В.П. Горячкин, В.А. Желиговский, Г.Н. Синеоков, И.М. Панов, А.М. Ширяев, М.М. Ковалев, В.В. Сафонов и др. Однако отмечается, что технологический процесс предпосевной обработки почвы при возделывании мелкосеменных культур недостаточно изучен. Вопросами взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой занимались ученые Н.И. Кленин, Ф.М. Канарев, А.И. Лещанкин, В.В. Кацыгин, Е.П. Яцук, О.А. Сизов, Я.П. Лобачевский, В.М. Халанский, М.Н. Чаткин и др. Анализ выполненных работ показал, что с развитием теории взаимодействия дисковых рабочих органов с почвой, нашли применение ротационные рабочие органы с винтовой рабочей поверхностью. Следует отметить, что при рассмотрении параметров и режимов работы ротационных рабочих органов, авторами уделяется внимание в частности к уплотняющему или к рыхлительному деформатору. Исследованию комбинированных рабочих органов, с применением ротационных почвообрабатывающих орудий, посвящены работы Жука А.Ф., Мазитова Н.К., Матяшина Ю.И., Киселева С.Н., Щукина С.Г., Путрина А.С., и др.

Анализ исследований кинематики и динамики ротационных орудий показал, что применяемые методики определения данных показателей несут в себе ряд допущений, и их использование при обосновании параметров и режимов работы рабочего органа несет погрешности, что в итоге приводит к снижению качества предпосевной обработки почвы. Следовательно, обеспечение качественного выполнения предпосевной обработки почвы является основным требованием при решении задач по обоснованию формы, параметров и режимов работы комбинированной бороны.

На основании результатов проведенного анализа, в соответствии с целью работы сформулированы задачи исследования:

1. Разработать математическую модель взаимодействия комбинированной бороны с почвой, с учетом воздействующих факторов и условий функционирования, для алгоритмизации процесса ее проектирования.

2. Разработать технологическую схему деформации почвы и теоретически обосновать форму, конструктивные параметры и режимы работы комбинированной бороны, обеспечивающей повышение качества обработки почвы.

3. Провести лабораторно-полевые опыты и производственные испытания в полевых условиях с разработанной и изготовленной комбинированной бороной, как отдельного рабочего органа, так и в составе комбинированного блочно – модульного адаптера.

4. Оценить степень изменения физико-механических и технологических свойств почвы в естественных условиях при взаимодействии с комбинированной бороной.

5. Оценить энергоемкость, экономическую эффективность разработанного технологического процесса, и внедренной комбинированной бороны для его выполнения.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование технологического процесса взаимодействия комбинированной бороны с почвой» приводится, составленная на основании системного подхода, схема модели системы «комбинированная борона – почва – внешние условия». В качестве математических моделей подсистем принимаются теоретические и регрессионные зависимости результатов опытных данных изменения физико-механических и технологических свойств (ФМТС) почвы от параметров и режимов работы комбинированной бороны. Разработанная классификация ротационных рабочих органов позволила выбрать форму уплотняющего деформатора – спиральная образующая и форму рыхлителя, имеющего в поперечном сечении каплевидную форму.

Предложенная схема технологического процесса (рисунок 1), основанная на кратковременном воздействии локального прикатывания и сдвиговой деформации, позволяет без нарушения качества технологического процесса предпосевной обработки снизить энергоемкость процесса деформации почвы.



V_р.о. – поступательная скорость рабочего органа; V1, V2, V3, V4 – объемы почвенных элементов при различных видах деформации

Рисунок 1 – Схема технологического процесса предпосевной обработки почвы


Использование сложной траектории движения прикатывающего и рыхлительного деформаторов, позволяет исключить зоны скольжения и буксования за счет кратковременного воздействия на почву. На начальном этапе, за счет локального сжатия цилиндрическим деформатором почва, испытывая упругие деформации, сжимается без полного разрушения. Деформация распространяется на расстояние не более 20 мм в глубину по площади контакта деформатора с почвой. Предопределяет пластическую деформацию почвы упругий цилиндрический деформатор. При этом действительный диаметр ΔD деформатора уменьшается до 2ΔR. Для отделения сжатого почвенного объема V2 (2-й этап), используется каплевидный деформатор. При этом сжатый почвенный элемент, испытывает деформацию растяжения и за счет разворачивания упругого деформатора, происходит сдвиг почвенного элемента относительно дна борозды. Деформация сдвига по отношению к сжатию имеет меньшее значение, следовательно необходимо направить почвенный элемент под углом к линейному (V_ро) перемещению движения цилиндрического деформатора. На третьем этапе, почвенный объем V3, при выходе из под цилиндрического деформатора, имея остаточные деформации, стремится к восстановлению исходной формы и разжимается. Каплевидный деформатор перемещает почвенный элемент под углом к направлению движения, полностью разрушает его и частично уплотняет семенное ложе. Совместное влияние цилиндрического уплотняющего деформатора, с установленными на внешней стороне каплевидными рыхлительными деформаторами, обеспечивает полное выполнение технологического процесса предпосевной обработки под мелкосеменные культуры. Использование предложенной схемы позволяет управлять процессом деформации почвенных частиц, в соответствии с установленными агротехническими требованиями на возделывание мелкосеменных культур.

Известно, что основные показатели качества работы рабочего органа, а также его технические характеристики зависят от кинематических параметров, одним из которых является кинематический режим работы. На основании анализа возможных траекторий движения ротационного рабочего органа, выявлена наиболее предпочтительная схема для рассмотрения кинематики – продольно-наклоненная (см. рисунок 2).



а б

а – траектория движения комбинированной бороны – повернутое и наклоненное; б – траектория движения точки спирали

Рисунок 2 – Кинематика движения комбинированной бороны


Таким образом, рассматривается траектория ротационных рабочих органов, установленных под углом к направлению вращения и поступательного движения. Общее уравнение для определения кинематики движения ротационного рабочего органа, определяется по выражению




. (1)


Вместе с тем, за начало координат берется не ось вращения ротационного рабочего органа, а точка контакта деформатора с почвой. Тогда имеется возможность устранить допущения переменного положения мгновенного центра скоростей.

В относительном движении, за время z точка конца цилиндрического рабочего органа из точки О1 переместится в точку О. В переносном движении вся система сместится вдоль оси абсцисс на расстояние x2=V_пt (рисунок 3). Поэтому в абсолютном движении координаты траектории точки конца рабочего органа определятся как

, , (2)

После преобразований можно записать общую систему уравнения движения точки на поверхности комбинированной бороны, определяемую как




(3)


где R – радиус комбинированной бороны (расстояние от геометрической оси до конца рабочего органа в данном сечении, где ООц=ОО1=R) при контакте его с почвой; α – угол поворота спирали, определяемый как ; ω – угловая скорость поверхности бороны; Vп – поступательная скорость комбинированной бороны; Vо - окружная скорость поверхности рабочего органа; λ – кинематический режим работы комбинированной бороны, определяемый из выражения ; β – угол между осью и образующей конуса спирали, при деформации (2β – угол конусности); γ – угол афронтальности.

Для выполнения технологического процесса предпосевной обработки почвы, с указанными кинематическими параметрами, предложено устройство комбинированной бороны, на которую подана заявка на изобретение № 2010109130. Комбинированная борона включает раму 1 (рисунок 3), последовательно установленные на ней спиральные бороны 2, 3. На рабочей поверхности спирали жестко закреплены зубья 4, образуя комбинированную борону. Установка направления навивки последующей спирали 3 противоположна направлению навивки предыдущей 2 и способствует повышению равномерности обработки поверхностного слоя почвы. Вращающиеся спирали 2 и 3 связаны друг с другом посредством цепной передачи 5 с передаточным отношением i > 1, что обеспечивает большую скорость вращения спирали 3 относительно спирали 2, являющейся ведущей. П
Рисунок 3 – Комбинированная борона для предпосевной обработки почвы

ри этом кинематический режим работы λ=1,2. Установка такой последовательности работы комбинированной бороны способствует более интенсивному рыхлению почвенных комков, выравниванию поверхности почвы, равномерному уплотнению семенного ложа.

Проектирование комбинированной бороны основано на определении параметров винта, без его разворачивания, что позволяет исключить допущения по использованию «дополнительной образующей» и «противонаправленной винтовой линии» (рисунок 4).

В соответствии с рисунком 4, видно, что длина винтовой линии определяется из выражения

, (4)

где t – шаг спирали, мм.



а б

а – к определению длины винта; б – к определению минимального диаметра

Рисунок 4 – Схема к определению параметров комбинированной бороны


Затем определяется расстояние между зубьями на винтовой линии, исходя из заданного количества зубьев М по формуле

(5)


Затем определяется шаг винта по выражению

, (6)

где а – ширина междурядий, мм.

Ширина междурядий определяется по допустимой комковатости на поверхности после прохода культиватора, которая не должна превышать 50 мм.

Расстояние между рядами зубьев будет определяться как

, (7)

где - угол наклона винтовой линии.

Затем определяем требуемое значение с использованием выражения

. (8)

После подстановки известных значений, а также определения недостающих величин, можно записать .

Данный способ проектирования позволяет учитывать не только конструктивные особенности борон, но и установленные агротехнические требования на возделываемую культуру. Для определения минимального диаметра комбинированной бороны, с учетом рисунка 4 б, используем выражение

, (9)

где R_комка – радиус комка, с учетом исходных требований на предпосевную обработку, мм; – угол направления действия усилия при взаимодействии с комком.

С учетом условия защемления комка и предотвращения образования почвенного валика должно сохраняться неравенство

, (10)

где - угол внутреннего трения почвы о почву;

- угол трения почвы о сталь.

Для определения давления основания спирали на почву, используется схема взаимодействия (рисунок 5). В соответствии со схемой составлено выражение.

, (11)

где Е – коэффициент, учитывающий влияние жесткости пружины на силу тяжести бороны; Lсп – расстояние от оси вращения бороны до точки крепления полуосей к спирали, м; - угол наклона витка спирали, град.; Lпк – расстояние от точки приложения силы к оси бороны до точки приложения тягового усилия, м; - сила тяжести бороны, Н; Всп – ширина захвата бороны, м; q – коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3; Dсп – диаметр спирали бороны, м.

Для того чтобы зуб, установленный на поверхности комбинированной бороны, мог осуществлять частичное уплотнение семенного ложа почвы при выходе из почвенного профиля (рисунок 6), необходимо обеспечить скольжение обрабатываемого слоя известной величины по рабочей поверхности зуба.

Это возможно при соблюдении неравенства

, (12)

где - угол наклона рабочей поверхности зуба при выходе из почвы; - угол трения почвы о поверхность зуба.



Рисунок 5 – Схема для определения давления Рисунок 6 – Схема расположения

на почву комбинированной бороной зуба комбинированной бороны


Условие 12 необходимое, но недостаточное, поскольку возможно разрушение образованного почвенного объема без возможности управления его деформацией. Для перемещения почвенного объема без разрушения необходимо выполнение условия

, (13)

где Рс – сила подпора, действующая на грань АВ (рисунок 7); Рх – сила, прилагаемая для обеспечения равновесия объема почвы на поверхности зуба; Рy – сила сопротивления почвы уплотнению; f1 – коэффициент трения почвы о поверхность зуба.


На зуб со стороны почвы действует нормальная сила Р^/, а при скольжении почвы возникает сила трения Р_F. Их сумма представляет результирующую силу Р, которая характеризует воздействие почвы на зуб. Из рисунка 8 следует, что ее вертикальная составляющая

, (14)

Примем давление почвы на поверхность пластины пропорциональным высоте уплотняемого слоя. Тогда на элементарный участок поверхности зуба длиной L и шириной db будет действовать сила


Рисунок 7 – Схема сил, действующих на зуб

, (15)

где q – коэффициент объемного смятия почвы; h – высота деформируемого слоя, определяемого из глубины обработки почвы. Проинтегрировав полученное выражение с учетом значения h и подставив в формулу (14), запишем

, (16)

Примем, что сила Рс равна силе, которую необходимо приложить к линии контакта основания почвенного объема, для деформации сдвига, для описания которой используем закон Кулона

, (17)

где - напряжение сдвига; P_cц – сила сцепления; - нормальное напряжение в плоскости разрушения.

Поверхность почвы, над которой наклонен зуб комбинированной бороны может образовывать с зубом рациональный угол «», обеспечивающий обязательное скольжение. Угол «» можно определить из выражения

, (18)

После преобразований, силу подпора можно выразить через свойства почвы, как

, (19)

где - плотность почвы, г/см³.

Принимая, что тангенс угла приближенно равен значению угла, и решив уравнение (13) с учетом уравнения (19), можно записать, что

, (20)

Предложенное выражение позволяет найти рациональный угол наклона уплотняющей поверхности зуба комбинированной бороны, обеспечивающей скольжение почвы, с учетом условий его функционирования.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа, общая и частные методики лабораторно-полевых исследований с характеристикой оборудования; приводится описание объекта исследования и экспериментальной установки.

Программой предусматривалось проведение лабораторно-полевых и производственных исследований с рассмотрением вопросов: определения качества предпосевной обработки почвы комбинированной бороной от ее параметров и режимов работы, при различных исходных значениях ФМТС почвы; сравнения качественных показателей работы экспериментальных и серийных рабочих органов; получения данных для определения эффективности использования комбинированной бороны при возделывании мелкосеменных культур.

Результаты экспериментальных исследований обработаны с использованием стандартных компьютерных программ. Рекогносцировочные опыты проводились для предварительного определения параметров и режимов работы комбинированной бороны. Лабораторные опыты проводились в почвенном канале кафедры «Сельскохозяйственные машины» на дерново-подзолистой почве легко и среднесуглинистой по гранулометрическому составу. Для проведения тензометрических исследований лабораторная установка доукомплектована специальным оборудованием. Полученные в результате исследования осциллограммы обрабатывались по известным методикам.

Проведение полевого опыта в течение трех лет на опытном поле Тверской ГСХА, с использованием разработанной и изготовленной комбинированной бороны, осуществлялось для проверки ее параметров, режимов работы и сравнительной оценки качественных показателей. Оценивалась энергоемкость предпосевной обработки, изменение урожайности мелкосеменных культур в сравнении с серийными боронами. Производственные испытания комбинированной бороны, в составе изготовленного блочно-модульного адаптера БМКА-3,0, проводились для определения экономической эффективности применения данного адаптера при возделывании мелкосеменных культур. При исследованиях руководствовались ОСТ 10 5.1-2000 «Испытание сельскохозяйственной техники. Методы оценки функциональных показателей», СТО АИСТ 4.2-2004 «Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей и ТЗ», а также частными методиками.

В четвертом разделе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» изложены основные результаты лабораторно-полевых исследований разработанной и изготовленной комбинированной, и серийных почвообрабатывающих борон. Основное внимание уделялось качественным показателям, таким как плотность и структура почвы. Установлены зависимости качества обработки, глубины заделки, полевой всхожести, урожайности семян льна-долгунца и ярового рапса от параметров и режимов работы комбинированной, плоской БЗСС - 1,0 и игольчатой БИГ – 3,0 борон.

В результате исследования изменения характера свойств почвы по глубине (рисунок 8) установлено, что комбинированная борона при работе создает меньшее по величине и более равномерное по глубине, уплотнение почвенного профиля.

А
1 - исходное состояние; 2 – игольчатая; 3 – комбинированная; 4 – плоская

Рисунок 8 – Графики изменения плотности почвы по глубине от типа бороны

нализ полученных результатов изменения плотности семенного ложа представленных графически на рисунке 9 (а) и уравнением (21) показывает, что значительное влияние на плотность почвы оказывают скоростные режимы работы и удельная нагрузка. При увеличении поступательной скорости и удельной нагрузки значение плотности почвы увеличивается на 2…3 %.

, (21)

где ρ – плотность почвы, г/см³; P – удельная нагрузка, Н/см; V – поступательная скорость перемещения, м/с; Кз – количество зубьев, шт/м.



а б

Рисунок 9 – График изменения плотности (а) и влажности (б) семенного ложа почвы от режимов работы комбинированной бороны при количестве зубьев 24 шт./м


Анализ уравнения (22), полученного по результатам испытаний, показывает, что увеличение удельной нагрузки до 20 Н/см² снижает влажность семенного ложа на 0,5 %, а увеличение скорости бороны приводит к увеличению влажности семенного ложа почвы.

, (22)

где W – влажность почвы, %.

Изменение структуры поверхностного слоя почвы, включая семенное ложе, оценивалось коэффициентом структурности (рисунок 10). Анализ показал, что при увеличении скоростных режимов работы комбинированной бороны величина коэффициента структурности возрастает до 4 ед. При определении характера распределения величины напряжений в почвенном профиле, возникающих от воздействия бороны, п
Рисунок 10 – График изменения коэффициента структурности семенного ложа от режимов работы комбинированной бороны при количестве зубьев 24 шт./м

остроены эпюры в виде изолиний напряжений в зависимости от исследуемых факторов. Наблюдается снижение величины напряжений в слоях более 6 см, при этом на характер распределения и величину напряжений от воздействия комбинированной бороны значительно влияет исходное состояние почвы и поступательная скорость в сравнении с величиной удельной нагрузки, создаваемой ею на почву.

С помощью скоростной видеосъемки изучалось перемещение частиц почвы, используя частицы-имитаторы. Установлено, что максимальное значение перемещений частиц почвы, составляет 1…1,5 см в верхнем слое. При этом с увеличением поступательной скорости до 2,7 м/с, наблюдается почти вертикальное перемещение частиц почвы, что объясняется коротким (импульсным) временем воздействия поверхности комбинированной бороны на почву. Кроме того, обеспечивается перемещение частиц на меньшую величину в горизонтальном направлении по сравнению с игольчатой и плоской боронами.

Для проверки результатов, полученных в лабораторных условиях, и уточнения параметров и режимов работы почвообрабатывающих борон проведены полевые исследования при возделывании ярового рапса, клевера, тимофеевки и льна-долгунца. Основными откликами при проведении полевых исследований являлись величины глубины заделки и полевой всхожести семян, а также урожайности возделываемых культур.

Глубина заделки семян составила 1,5-2,5 см при установленных режимах работы комбинированной бороны. При работе игольчатой и плоской бороны глубина заделки семян составляла от 3,5 до 5,5 см. Величины полевой всхожести семян рапса и семян льна-долгунца графически представлены на рисунке 11.



а б

ПВ – полевая всхожесть семян, %; V – скорость перемещения, м/с; Р – удельная нагрузка, Н/см²

Рисунок 11 - График изменения полевой всхожести семян льна-долгунца (а) и рапса ярового (б) от режимов работы комбинированной бороны


При математической обработке результатов исследований получены регрессионные зависимости для льна-долгунца (23) и рапса ярового (24), полевой всхожести семян от режимов работы бороны.

, (23)

, (24)

где ПВ – полевая всхожесть семян, %.

Анализ регрессионных зависимостей и графиков позволил установить, что значительное влияние на увеличение полевой всхожести семян имеют скоростные и нагрузочные режимы работы комбинированной бороны. При увеличении скорости бороны до 2,7 м/с и количестве зубьев 24 шт./м, полевая всхожесть семян льна-долгунца увеличилась до 96 %, увеличение удельной нагрузки до 20 Н/см² приводит к снижению полевой всхожести семян на 0,5-1 %. Полевая всхожесть семян ярового рапса составила в среднем 89 %, клевера 91 %, тимофеевки 85 % а льна долгунца – 93 % в зависимости от режимов работы комбинированной бороны.

У
Рисунок 12 – График изменения урожайности льна – долгунца от режимов работы комбинированной бороны

величение полевой всхожести семян исследуемых мелкосеменных культур привело к повышению их урожайности. Урожайность семян рапса увеличилась на 1-2 ц/га, урожайность семян льна-долгунца на 0,8-0,9 ц/га, клевера на 1,8 – 3 ц/га и тимофеевки на 1 – 2 ц/га.

Производственные испытания использования комбинированного почвообрабатывающего агрегата, в составе которого использовалась разработанная комбинированная борона, подтвердили эффективность их использования для предпосевной обработки почвы под мелкосеменные культуры. Урожайность семян рапса увеличилась на 8%, а семян льна-долгунца – на 10%, что подтверждено актом внедрения на полях ООО «Агро-лен» и ООО «Сольба» Тверской области Калязинского района.

В пятом разделе «Экономическая оценка» приводится технико-экономический расчет, показывающий, что за счет увеличения количества произведенной продукции на 5,01 ц/га льна-долгунца и на 4,9 ц/га рапса-ярового, при снижении удельного расхода топлива на 0,11 кг/га, годовой экономический эффект от внедрения комбинированной бороны составил для льна-долгунца 32576,37 рублей, а для рапса ярового соответственно 28627,34 рублей. Срок окупаемости при посеве льна-долгунца и рапса ярового 1,24 и 1,10 года соответственно.


Общие выводы и предложения

1.Разработана математическая модель взаимодействия комбинированной бороны с почвой с учетом воздействующих факторов и условия функционирования, позволяющая алгоритмизировать ее проектирование.

2. Разработана технологическая схема деформации почвы и теоретически обоснованы: форма – спиральная, с закрепленными зубьями каплевидной формы; конструктивные параметры бороны – D = 180…190 мм, ширина захвата В = 900мм, шаг спирали S_{спирали}= 25…30мм, количество зубьев К_з = 24…26 шт./м, отношение диаметра бороны к ширине витка D/b = 10; режимы работы – кинематический режим = 1,25…1,3, масса бороны G_бор = 500…600 Н, поступательная скорость V = 2,5…2,7 м/с.

3. Применение блочно-модульного адаптера способствует повышению полевой всхожести, в сравнении с контролем, на 9,5 %, и снижению вегетационного периода на 4 дня у льна-долгунца и на 5 дней у рапса ярового. Производственные испытания в сельскохозяйственных предприятиях Тверской области показали увеличение урожайности при использовании комбинированной бороны в составе блочно-модульного адаптера на 5,01 ц/га для льна-долгунца и 4,9 ц/га для рапса ярового.

4. Увеличение поступательной скорости бороны приводит к снижению степени уплотнения семенного ложа до 1,25…1,27 г/см³, при незначительном увеличении влажности на 2,5…4,2%. Прочность почвы на сжатие при использовании комбинированной бороны снизилась до 65…75 кПа, на растяжение на 7…10 %, и составила 8…10 кПа. Установлено снижение липкости до 5 г/мм², сопротивления сдвига до 9,34 кПа.

5. Оценка предпосевной обработки почвы показала снижение энергоемкости процесса на 318МДж/га. Годовая экономическая эффективность использования комбинированной бороны, с учетом повышения урожайности, составила для льна долгунца 32576 рублей, и для рапса ярового 28627 рублей, а срок окупаемости при посеве льна-долгунца и рапса ярового 1,2 и 1,1 года соответственно.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Голубев, Д.А. Комбинированный зуб ротационной бороны / Д.А. Голубев // Сельский механизатор. – 2010. - №2. – С. 10.

Публикации в описаниях на изобретение, сборниках научных трудов и материалах конференций

2. Голубев, Д.А. Результаты лабораторно-полевых исследований блочно-модульного комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы / Д.А. Голубев, Р.Р. Богдалов, В.Ю. Молофеев // Сб.науч.докладов ХV международной научно-практической конференции. Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. Тамбов, 2009. – С. 252 – 258.

3. Голубев, Д.А. Проектирование комбинированного адаптера / Д.А. Голубев, Д.М. Рула, В.В. Голубев/ Сб.науч.докладов ХV международной научно-практической конференции. Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. Тамбов, 2009. – С. 258 – 263.

4. Голубев, В.В. Экологизация предпосевной обработки почвы / В.В. Голубев, Д.М. Рула, Д.А. Голубев //Актуальные направления научных исследований. – Калуга, 2009. – С.127-131.

5. Голубев В.В. Результаты лабораторных исследований ротационной бороны / В.В. Голубев, В.С. Андрощук, Д.А. Голубев /Современные технологии агропромышленного производства// Сб.науч.тр. по материалам Международной научно-практической конференции 2-4 июня 2009 года. Часть 2. – Тверь.: Агросфера, 2009. – С. 4-6.

6. Голубев Д.А. Классификация и анализ почвообрабатывающих ротационных рабочих органов /Д.А. Голубев, В.В. Голубев, Д.М. Рула / Современные технологии агропромышленного производства// Сб.науч.тр. по материалам Международной научно-практической конференции 2-4 июня 2009 года. Часть 2. – Тверь.: Агросфера, 2009. – С. 6-8.

7. Голубев Д.А. Методика и результаты проведения полевого опыта / Д.А. Голубев, В.В. Голубев, Д.М. Рула / Механика и процессы управления // Труды ХХХIХ Уральского семинара. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – С. 56-64.

8. Рула, Д.М. Исследование технологических процессов предпосевной обработки почвы и посева мелкосеменных культур при проведении полевого опыта / Д.М. Рула, Д.А. Голубев, В.В. Голубев / Современные технологии агропромышленного производства// Сб.науч.тр. по материалам Международной научно-практической конференции 2-4 июня 2009 года. Часть 2. – Тверь.: Агросфера, 2009. – С. 9-11.

9. Пат. на ПМ № 92757 РФ, МПК А01В23/02 (2006.01). Зуб бороны / Д.А. Голубев, В.В. Голубев, Д.М. Рула. - № 2009142793/22; заявл. 19.11.2009; опубл. 10.04.2010, Бюл. № 10.


Голубев Денис Александрович


ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

КОМБИНИРОВАННОЙ БОРОНЫ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ

ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ПОД МЕЛКОСЕМЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ


Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации

сельского хозяйства»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук


Формат 60x48 1/16 Бумага типографская

Гарнитура шрифта «Times» Печать ризографическая

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 544


Издательство ТГСХА «АГРОСФЕРА»

Россия, 170904, г. Тверь, п.Сахарове,

Ул. Василевского, д. 7

Тел. (4822) 53-12-36