автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологических параметров работы дисковой бороны с рабочими органами типа "качающаяся шайба" в условиях Приморского края

На правах рукописи

РЕДКОКАШИН АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДИСКОВОЙ БОРОНЫ С РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ТИПА «КАЧАЮЩАЯСЯ ШАЙБА» В УСЛОВИЯХ ПРИМОРСКОГО КРАЯ

Специальность 05.20.01—технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ 2013

Благовещенск - 2013

005540777

005540777

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Приморская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Шишлов Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

Самуйло Виктор Вацлавович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО ДальГАУ/ факультет механизации сельского хозяйства, кафедра «Эксплуатация и ремонт транспорно - технологических машин и комплексов», заведующий

Сюмак Анатолий Васильевич, кандидат технических наук, ГНУ ВНИИ сои Россельхозакадемии/лаборатория севооборотов и технологий возделывания сои, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация ГНУ ДальНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 12е2 часов на заседании диссертационного совета Д 220.027.01 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет», по адресу: 675005, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, корп. 12, ауд. 82, тел/факс 8(4162)49-10-44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Автореферат размещён на сайтах ДальГАУ и ВАК

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Якименко Андрей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Механическая обработка почвы — очень важный элемент в системе земледелия. Способы обработки почвы многообразны и зависят от ее физико-механических свойств, а также требуемого качества для возделывания определенных культур.

Главная задача боронования — создать оптимальную структуру состава почвы, обеспечивающую наилучшие условия для развития культурных растений и, как следствие, получение высокого урожая, соответствующего генетическому потенциалу культурных растений, а также защиты культурных растений от сорняков, вредителей и болезней.

В Приморском крае боронование сложно произвести с соблюдением всех агротехнических требований, так как почвы имеют тяжёлый механический состав и поднятые при основной обработке пласты быстро иссушиваются ветром и становятся прочнее. Это служит причиной того, что провести боронование с соблюдением всех агротехнических требований очень сложно.

В связи с этим исследования по совершенствованию поверхностной обработки почвы являются важной и актуальной задачей для современной системы земледелия.

Работа выполнялась в рамках «Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 гг.», а также в соответствии с программами: «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 г.»; «Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г.» и программой научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» в период 2009-2012 гг.

Цель исследования. Повышение качества поверхностной обработки почвы на основе совершенствования конструктивно-технологических параметров дисковых рабочих органов.

Методы исследования. Анализ и обобщение существующего опыта, аналитическое моделирование и лабораторные методы на основе планирования факторного эксперимента с обработкой результатов на основе прикладной статистики с использованием программы MS Excel на ПК.

Объект исследования Технологический процесс поверхностной обработки почвы, осуществляемый дисковыми рабочими органами.

Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивно-технологических параметров на качество поверхностной обработки почвы.

Достоверность результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований согласуются в пределах зоны доверительного интервала, таким образом, теоретические исследования подтверждаются экспериментально.

Научная новизна. Заключается в получении математической модели кинематического обоснования движения рабочих органов, определении

тягового сопротивления дискового орудия, оптимизации конструктивно-технологических параметров предлагаемой бороны с дисковыми рабочими органами, установленными по принципу «качающаяся шайба», позволяющими реализовать заданные агротехнологические режимы для повышения качества обработанного поверхностного слоя почвы.

На защиту выносятся результаты теоретических исследований параметров и режимов работы экспериментальной дисковой бороны, экспериментальных исследований влияния параметров и режимов работы бороны на качество поверхностной обработки почвы и математическая модель оптимизации условий боронования, анализ экономической эффективности и внедрения предлагаемой разработки.

Практическая значимость работы. Состоит в разработке по. результатам исследований новых сельскохозяйственных орудий для поверхностной обработки почвы, оснащённых дисковыми рабочими органами, конструктивные решения которых защищены патентами РФ №№ 74542, 89920. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и совершенствовании дисковых почвообрабатывающих орудий.

Внедрение. Борона, оснащённая рабочими органами с изменяющимся углом резания внедрена в колхозе «Хвалынский» Спасского муниципального района Приморского края в течение трёх лет. Результаты исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Автотракторная и сельскохозяйственная техника» ФГБОУ ВПО «Приморская ГСХА».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научно-практических конференциях «Молодые ученые - агропромышленному комплексу Дальнего Востока» (г. Уссурийск, 2010, 2011, 2012 г.г.), заседаниях кафедры «Автотракторная и сельскохозяйственная техника» ФГБОУ ВПО «Приморская ГСХА» (г. Уссурийск, 2011, 2012, 2013), а также на научных конференциях в ФГОУ ВПО ДальГАУ (Благовещенск, 2009-2010 гг.). Результаты исследований демонстрировались на краевой выставке-ярмарке научно-технических идей (Владивосток, 2010 г.), научно-технической выставке, посвященной 50-летию института механизации сельского хозяйства «Инновационные технологии и средства в агроинженерии» (Уссурийск, 2011 г.)

Публикации. Материалы исследований отражены в 15 печатных работах, в том числе в Зх печатных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, а также в описании двух патентов на полезную модель. Объем публикаций составляет 3,9 пл., на долю автора приходится 2,25 п.л.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, основной текст сопровождается 16 таблицами, 71 рисунком и 70 формулами. Список литературы содержит 149 наименований, из них 9 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, обоснованы направления исследований, кратко изложены основные положения работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» рассмотрены прородноклиматические и почвенные условия, рассмотрены физико-механические свойства почв Приморского края. Проведен анализ конструкций рабочих органов существующих дисковых борон.

Вопросам изучения поверхностной обработки почвы были посвящены работы Богдан В. И., Булавина С. А., Бычкова В. В. Кислова А. А., Любина В. Н., Мякотиной О. М., Никитина В. В., Ожерельева В. Н., Посметьева В. И., Рыжкова А. В., Самуйло В. В., Тарасюк Д. А., Третьякова А. И., Шевкун В. А., и других авторов.

Анализ существующих орудий для поверхностной обработки почвы показал, что наиболее целесообразно, с агротехнической точки зрения, в условиях Приморского края с «тяжелым» физико-механическим составом почв, применять дисковые бороны.

В ходе проведенного патентного поиска и анализа литературных источников выявлено, что существующие конструкции дисковых борон и применяемые рабочие поверхности дисков не позволяют провести необходимую обработку суглинистых, «тяжелых» почв, что особенно характерно в условиях переувлажненных зон Приморского края.

По результатам проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи.

1. Провести анализ существующих дисковых борон и их рабочих органов и выявить основные недостатки поверхностной обработки почвы.

2. Разработать конструкцию дисковой бороны, обеспечивающую качественную обработку поверхностного слоя почвы в соответствии с установленными агротехническим требованиями.

3. Аналитически определить и экспериментально подтвердить влияние конструктивных и технологических параметров на тяговое сопротивление дисковой бороны.

4. Провести экспериментальные исследования, получить математические модели и оптимизировать агротехнологические параметры поверхностной обработки почвы.

5. Реализовать представленные предложения в производственных условиях и дать их технико-экономическую оценку.

Во второй главе «Теоретические исследования» описаны особенности конструкции и принцип работы экспериментальной бороны оснащённой рабочими органами с изменяющимся углом резания. Обоснованы геометрические параметры дисковых рабочих органов. Выведены уравнения кинематических и энергетических зависимостей работы экспериментальной дисковой бороны. Представлены зависимости тягового сопротивления от конструктивно-технологических параметров работы экспериментальной бороны.

б

Рисунок 1 - Кинематика (я) и траектория (б) дискового рабочего органа

Абсолютную скорость диска при движении агрегата с учетом его движений по траектории, соответствующей режиму гармонических колебаний (рисунок 1,6) а также его вращения вокруг собственной оси будем определять как сумму векторов скоростей:

- движение диска в режиме гармонических колебаний

уах=4соз(1а+Р)1{зт(р (1)

где к г

(1а+/})

я

<р

■ круговая частота колебаний, к=2с-1; • период колебаний, 1=2к/к= к, с;

■ фаза колебаний, с,

■ радиус дисков, м;

■ рабочий угол, град;

- вращение диска вокруг оси

Уау=со1{, (2)

где а> - угловая скорость вращения диска, с"1;

- поступательная (линейная) скорость точек окружности диска

V,, =г -со, (3)

где г - параметр винтового движения диска, м.

Абсолютная скорость диска будет определяться соответственно:

г>а = J(Vax)2 + Ы)2 + Ы2 , (4)

Подставив значения скоростей точки А диска бороны, получим окончательно

уа = Л/16й251п2<рсо52(2( + /?)] +о>202(Д2 +г2)) (5)

Работа бороны с дисковыми рабочими органами, расположенными на параллельных осях поперечно направлению поступательного движения характеризуется попеременным изменением величины и направления осевой реакции (вдоль оси вращения). Поэтому с точки зрения динамики воздействия рабочих органов с почвой представляет интерес характер действующих сил сопротивления каждого диска.

Общее тяговое усилие, необходимое для движения дисковой бороны будет определяться

Рд=(Рд3+Рдв)-Мд, (6)

где Рд3 - сила сопротивления почвы в фазе заглубления диска, Н;

Рд в - сила сопротивления почвы в фазе выглубления диска, Н;

Ыд - количество дисков в одном ряду батареи.

Сила сопротивления движению диска в фазе заглубления в почву будет определяться из выражения

Рд3= ЫкуЩ(а+ч>1)Хсо82(1)т-/глк1соя<рт+ (()/&) (Уок/1с)зта(Ыта) (7) в фазе выглубления диска из почвы значение силы сопротивления будет равно

Рдв = ЫНу1^(а+<рх)Хсо^(рт- 0/со$асо$срт+ (<2/& (уок/и)вта(1-хта) (8) где Ь, - ширина, длина и глубина соответственно фронтальной проекции рабочего участка плоскости диска, м; у - объёмный вес почвы, Н/м3; а - рабочий угол, град.; IрТ - угол трения, град.;

Я - коэффициент, характеризующий отношение скорости поступательного

движения диска к скорости перемещения частиц почвы, У - коэффициент трения; гд - удельное давление почвы на диск, Н/м2. (2 - вес диска, Н; ч<и< - линейная скорость диска, м/с; ¡с - время полуоборота диска.

Численная реализация результатов теоретических исследований зависимости тягового усилия предназначенного для преодоления сопротивления почвы от действия кинематических и конструктивно-технологических факторов дисковой бороны при изменении одного и базовых значениях остальных исследуемых конструктивно-технологических параметров показывают линейные зависимости увеличения тягового сопротивления при увеличениях рабочей скорости агрегата V, глубины обработки почвы А, вертикальной нагрузки на диск и объёмного веса почвы у и нелинейную зависимость увеличения тягового усилия при увеличении рабочего угла диска «.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа экспериментальных исследований, описаны экспериментальная установка, оборудования и методика обработки экспериментальных данных.

Программа исследований включала: разработка лабораторного стенда дисковой бороны для проведения исследований на почвенном канале; экспериментальное подтверждение теоретической зависимости тягового сопротивления дисковой бороны от конструктивно-технологических параметров рабочих органов; исследование влияния основных варьирующих факторов на качество поверхностной обработки почвы и установление их оптимальных параметров; производственная проверка эффективности применения экспериментальной дисковой бороны.

Для исследования влияния конструктивно-технологических параметров на тяговое сопротивление экспериментальной дисковой бороны, а также на качество обработки поверхностного слоя почвы была разработана и изготовлена экспериментальная установка, состоящая из бороны оснащённой дисковыми рабочими органами (рисунок 3, а, б) с изменяющимся углом резания, тягово-транспортной тележкой, установленной на ходовые рельсы почвенного канала и тяговой станции.

а б

Рисунок 3 - Схема (я) и общий вид (б) экспериментальной дисковой бороны

Регистрация энергосиловых показаний исследования дисковых рабочих органов на почвенном канале осуществлялась снятием сигналов с и обработки

их в аналого-цифровом преобразователе ЭМА-П.

Обработка статистических данных, полученных в ходе проведения эксперимента, проводилась по стандартной методике.

При планировании многофакторного эксперимента после теоретических исследований априорного ранжирования и ряда отсеивающих опытов были выявлены варьирующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на критерий оптимизации при изучении объекта исследований. При получении опытных данных, проверку на исключение резко выделяющихся значений проводили по критерию Стьюдента. Значимость коэффициентов регрессии также определяли по критерию Стьюдента. Адекватность уравнений проверяли по критерию Фишера.

При проведении анализа лабораторных исследований показателей работы дисковой бороны использовалась ПЭВМ со стандартным программным обеспечением Microsoft Excel.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведен анализ результатов лабораторных и полевых экспериментов. Приведены основные экспериментальные зависимости и установлены оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы экспериментальной дисковой бороны.

Графические изображения теоретических зависимостей тягового сопротивления от варьируемых факторов и зависимости, полученные по результатам испытаний представлены на рисунках 4- 8.

И 2400

SM

<и

5 2200

; 2000

1800

1600

1400

1200

1000

1 11 Теоретическая зависимость

зави 2ИМОС1 :ь

у = 406,82х + 574,3 R2 = 1

У = 5 ,6689 х2 + 321,03х + 771,94 R2 = 0,9967

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Рабочая скорость V, м/с Рисунок 4 - Зависимость тягового усилия дисковой бороны от рабочей скорости

1500

1400

13 00

1200

0,04 0,06 0,08 0,1

Глубина обработки почвы И, м

Рисунок 5 - Зависимость тягового усилия дисковой бороны от глубины обработки почвы

д 1800

Ь

s

I 1700

Теоретическая зависимость -^-Экспериментальная зависимость

М 1800 1700

1 1600 « 1500

о 1400

о

л 1300

н

1200 1100

Рисунок 6 -

И

^"6700

Ч

® 5700 >>

и

® 4700 Й

3700 2700 1700

Теоретическая зависимость —♦—Экспериментальная зависимость

5 10 15

Рабочий угол диска а, град.

Зависимость тягового усилия дисковой бороны от рабочего угла диска

7000 9000 1100013000150001700019000

Объёмный вес почвы у, Н/мЗ

Рисунок 8 - Зависимость тягового усилия дисковой бороны от объёмного веса почвы

700

20 30 40

Нагрузка на диск К, Н

Рисунок 7 - Зависимость тягового усилия дисковой бороны от вертикальной нагрузки на каждый диск

На графиках наглядно видно (рисунки 4-8), что экспериментальные данные согласуются с теоретическими зависимостями в зонах доверительных границ при следующих интервалах конструктивно-технологических параметров: рабочей скорости агрегата V = 1,4 - 4,2 м/с (при этом интервал изменения тягового усилия находится в пределах Р= 1310 - 2313); изменении глубины обработки почвы Ь=0,04 - 0,1 м (интервал тягового усилия Р=1720 -1700); изменении рабочего угла а=5 - 25 град, (тяговое усилие Р= 1113 -1707); изменении вертикальной нагрузки на диск Е=200 - 348 Н (тяговое усилие Р=1100 -4300); объёмного веса почвы у=7000 - 14000 Н/м3 (Р=1100 -2300).

В результате постановки факторного эксперимента были получены результаты вариационно-статистической обработки экспериментальных данных, а также уравнение регрессии, которое в кодированном виде имеет вид: у = 8,56 -1,17 x1 +0,9-Хг -0,89-Хз-1,45-Х!2-О,25-х22 -1,33-хз2 +0,16х1хз

Теоретическая зависимость

^♦—Экспериментальная зависимость

■Теоретическая зависимость

'Экспериментальная зависимость

д 4000 Рн"

в 3500

Ч

Б

^>3000

и о я

2000

1500

1000

Адекватность полученного уравнения проверялась по критерию Фишера. По уравнению регрессии вычисляем значение выходного параметра и определяем дисперсию адекватности.

При семи значимых коэффициентах регрессии, имеем: ^ = N — <1 = 15-9 = 6; £г = И(т- 1) = 15(3 - 1) = 30. Тогда при 95% уровне значимости Рт = 2,2 Расчетное значение критерия Фишера составило Рр = 2,08, тогда: рт _ рр = 2,2 - 2,08 = 0,12 > 0. Значит, полученное уравнение регрессии адекватно описывает процесс в пределах исследуемой области.

Для удобства расчетов проводим преобразование (раскодирование) с учетом формулы перехода к именованным величинам. Раскодированное уравнение имеет вид: Р =-1,02 + 0,3а + 0,02Г + 3,01у - 0,015 а2 - 0,000025Р2 - 0, 68у2 + 0,011 т Оптимальные значения варьирующих факторов: рабочий угол а = 10 град.; вертикальная нагрузка на диск Р = 480 Н; скорость агрегата V = 2,3 м/с при значении критерия оптимизации Р = 9,96 баллов

Для анализа парного влияния факторов на критерий оптимизации (качество поверхностной обработки), построены поверхности откликов при варьировании: нагрузки на каждый диск и скорости; рабочего угла и рабочей скорости; рабочего угла и нагрузки на диск (рисунок 9).

9,5-10 9-9,5 а 8,5-9

в 7 5-8 Рисунок 9- Поверхность отклика при

■ 7-7,5 варьировании: а - нагрузки на каждый диск и

■ 6,5-7 скорости Р = у); при нулевом уровне а= 15

■ 6-6,5 град; б - рабочего угла и рабочей скорости Р =

■ 5,5-6 Да.у) при нулевом уровне Я = 300 Н; в-а 5"5-5 рабочего угла и нагрузки на диск Р = Да,/7) при ■4,5-5 нулевом уровне у= 2,8 м/с.

■ 4-4,5

■ 3,5-4

■ 3-3,5

в

■ 9,5-10

■ 9-9,5

■ 8,5-9

■ 8-8,5

■ 7,5-8

■ 7-7,5 в6,5-7

■ 6-6,5

■ 5,5-6

■ 5-5,5

■ 4,5-5

■ 4-4,5

3 9,5-10 9-9,5 8,5-9 В 8-8,5

■ 7,5-8 7-7,5

■ 6,5-7 В 6-6,5 Ы 5,5-6

■ 5-5,5

■ 4,5-5

■ 4-4,5

■ 3,5-4 «3 3-3,5

Уравнение регрессии при нулевом уровне рабочего угла:

Р = 0,23 + 0,02/^ +5,7 5 V - 0,000025Р2- 68у2 Уравнение регрессии при нулевом уровне удельной нагрузки на диск:

Р = 39,8 + 0,3а +3,01у-0,015а2-0,68у2+0,011т Уравнение регрессии при нулевом уровне скорости агрегата:

Р = 2,06+ 0,33а + 0,024Р- 0,015а2 - 2,54Р2. Результаты полевого опыта (рисунок 11) показывают, что закономерность изменения тягового усилия во время проведения полевых испытаний и испытаний, проводимых в почвенном канале подтверждаются с той разницей, что отклонения полученной зависимости в полевых условиях объясняются многообразием характеристик естественного состава почвы в полевых условиях, которые оказывают непосредственное влияние при взаимодействии с рабочими органами на общее тяговое сопротивление применяемых орудий.

: 5,6689х2 + 321,ОЗх + 771,94 К2 = 0,9967

= 94,246х2- 81,627х+ 1212,2 Я2 = 0,9771

Исследования в полевых условиях Лабораторные исследования

-I

3,5 4 4,5 Рабочая скорость V, м/с

Рисунок 11 - Согласование графиков изменения тягового усилия по результатам лабораторных исследований и полевого опыта

В пятой главе «Экономическая и энергетическая оценка эффективности внедрения дисковой бороны в технологию поверхностной обработки почвы» приведен расчет экономической и энергетической эффективности внедрения дисковой бороны с рабочими органами типа "качающаяся шайба". Расчет, проведенный на основании результатов исследований, показывают, что годовая экономия от применения экспериментальной дисковой бороны по сравнению с бороной БДН-3 составляет 2 024,28 руб. или 6,82 %, его применение позволяет сэкономить 40,49 руб/га. Энергетическая оценка агрегатов показывает, что экспериментальная дисковая борона затрачивает энергии меньше на 157,72 МДж/га, чем серийная борона БДН-3.

выводы

1. Установлено, что в результате применения серийных дисковых орудий для поверхностной обработки почвы в условиях пахотных земель Приморского края наблюдаются низкие показатели качества глыбистости, гребнистости и выровненности почвы вследствие малого угла атаки и недостаточных напряжениях в почве в контактной зоне взаимодействия с поверхностью рабочего органа.

2. Разработана конструкция дисковой бороны с рабочими органами, установленными на параллельных осях с синхронным вращением и возможностью регулировки рабочих углов (патент РФ №74542), позволяющая производить более качественную поверхностную обработку почвы по показателям глыбистости, взрыхленности и выровненности.

3. Показано, что среднее тяговое сопротивление при проведении поверхностной обработки почвы предлагаемой конструкцией дисковой бороны ниже аналогичного параметра в случае применения существующих орудий на 0,52 кН. Зависимости тягового сопротивления от скорости движения агрегата, глубины обработки, вертикальной нагрузки, рабочего угла дисков и плотности почвы адекватны зависимостям, полученным при теоретических исследованиях.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований выделены основные факторы, влияющие на качество поверхностной обработки почвы, по результатам многофакторного эксперимента установлены их оптимальные параметры: рабочий угол а=10°; вертикальная нагрузка на диск F= 480Н; скорость агрегата v=2,3 м/с.

5. Производственные испытания показали экономическую целесообразность применения дисковой бороны, оснащённой предлагаемыми рабочими органами, использование которой при подготовке почвы для посева сои дает прибавку урожая в среднем более чем 0,2 т/га по сравнению с подготовкой почвы базовыми орудиями.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Редаокашин А. А. Дисковая борона / Редкокашин А. А., Шишлов А. Н. // Сельский механизатор. - 2010. - N 5. - С. 7.

2. Редкокашин А. А. Влияния параметров дисковой бороны (тип "качающаяся шайба") на глубину обработки почвы / Шишлов А.Н., Редкокашин A.A. //Кормопроизводство. - 2011. - N 4. - С. 47 - 48.

3. Редкокашин А. А. Новый рабочий орган дисковой бороны [Комбинирование глубокорыхлителя с дисковой бороной] / Редкокашин A.A., Шишлов А.Н.//Сельский механизатор. - 2013. - N 2. - С. 10-11.

в других гаданиях

4. Пономарев А. В. К вопросу о снижении энергозатрат при обработке почвы рисового поля / А. В. Пономарев, А. А. Редкокашин // Актуальные вопросы конструирования, эксплуатации и сервиса механических, пневматических и электротехнических устройств сельскохозяйственного назначения. - Уссурийск: Прим. гос. с. - х. акад. - 2005. - С. 155 -

5. Пономарев А. В. К вопросу о кинематике и динамике гармонических колебаний вибровозбуднтеля / А. В. Пономарев, А. А. Редкокашнн // Актуальные вопросы теории, использования и технического сервиса средств механизации агропромышленного комплекса. - Уссурийск: Прим. гос. с. - х. акад. - 2006. - С. 186 - 190.

6. Редкокашнн А. А. Эксплуатационная планировка синусным механизмом / А. А. Редкокашин, А. В. Пономарев // Молодые ученые - агропромышленному комплексу Дальнего Востока: материалы 42 Межвуз. науч.-практ. конф. (31 октября - 1 ноября 2006 г.). Вып. 7. - Уссурийск: Прим. гос. с. -х. акад. - 2006. - с. 184 - 186.

7. Завьялов С. М. Предпосылки внедрения рабочих органов ударно-импульсного воздействия для обработки почв Приморского края / С. М. Завьялов, А. А. Редкокашин // Инновации молодых -развитиюсельского хозяйства: материалы 43 студенческой науч. конф., посвященной 50-летию ПГСХА часть 2 (март - апрель 2007 г.).- Уссурийск: Прим. гос.с.-х. акад.-200.-с. 40-44.

8. Редкокашин А. А. К обоснованию конструкции дискового рабочего органа для предпосевной обработки почвы [Текст] / А. А. Редкокашин, А. Н. Шишлов // Совершенствование механизированных процессов производства и переработки сельскохозяйственной продукции в условиях Прим. края.сб.научных трудов / Уссурийск:Прим.гос.с.-х.акад.- 2009,-С. 33 -37.

9. Редкокашнн А. А. Совершенствование технологии предпосевной обработки почвы в условиях Приморского края [Текст] / A.A. Редкокашин, А. Н. Шишлов // Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: сб.науч.тр. ДальГАУ. - Благовещенск: ДальГАУ, 2009 - Вып. 16. С 47 - 49.

10. Редкокашин А. А. Влияние параметров работы дисковой бороны типа "качающаяся шайба" на тяговое усилие/И. А. Бородин, С. А. Шишлов //Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. тр. / ДальГАУ. - Благовещенск, 2011,-Вып. 18.-С. 181 -186.

11. Редкокашин А. А. Исследование глубины обработки почвы дисковым рабочим органом типа "качающаяся шайба" [Текст] / А. А. Редкокашин, А. Н. Шишлов // Молодые ученые -агропромышленному комплексу Дальнего Востока: материалы Межвуз. на-уч.-практ. конф. (27 - 28 октября 2011 г.) и 48 студ. научн. конф (февраль - март 2012 г.). Вып. 12. -Уссурийск: Прим. гос. с. - х. акад. - 2012. - С. 35 - 40.

12 Редкокашин А. А. Исследование параметров работы дисковой бороны типа "качающаяся шайба" [Текст] / А. А. Редкокашин, А. Н. Шишлов // Молодые ученые - агропромышленному комплексу Дальнего Востока: материалы Межвуз. на-уч.-практ. конф. (27 - 28 октября 2010 г.) и 48 студ. научн. конф (февраль - март 2012 г.). Вып. 12. - Уссурийск: Прим. гос. с. - х. акад. - 2011. - С. 160 - 162.

13 Редкокашин А. А. Оптимизация параметров работы дисковой бороны [Текст] / А. А. Редкокашин, С. А. Шишлов // Молодые ученые - агропромышленному комплексу Дальнего Востока: материалы Межвуз. на-уч.-практ. конф. (24 - 25 октября 2012 г.) и 49 студ. научн. конф (февраль - март 2012 г.). Вып. 13. - Уссурийск: Прим. гос. с. - х. акад, -201.-С.252-257.

В патентах

14 Пат. №74542 Российская Федерация МПК7 А01В 19/00. Дисковая борона [Текст] / Редкокашин А. А.; заявитель и патентообладатель Приморская гос. с.-х. академия. -№2008103099/22, Заяв. 28.01.2008; Опубл. 10.07.2008, Бюл. №19. -3 е.: ил.

15 Пат. №89920 Российская Федерация МПК7 А01В 23/00. Дисковая борона [Текст] / Редкокашнн А. А.; заявитель и патентообладатель Приморская гос. с.-х. академия. - № 2009129888/22, Заяв. 03.08.2009; Опубл. 27.12.2009, Бюл. №19.-6 е.: ил.

Редкокашин Александр Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДИСКОВОЙ БОРОНЫ С РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ТИПА «КАЧАЮЩАЯСЯ ШАЙБА» В УСЛОВИЯХ ПРИМОРСКОГО КРАЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ЛР 020427 от 25.04.1997 г. Подписано к печати 21.11.2013 г. Формат 60x90/16. Уч.-изд.л. - 1,0. Усл.-п.л. - 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 195.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии издательства ДальГАУ 675005, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПРИМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

04201455387

РЕДКОКАШИН АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДИСКОВОЙ БОРОНЫ С РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ТИПА «КАЧАЮЩАЯСЯ ШАЙБА» В УСЛОВИЯХ

ПРИМОРСКОГО КРАЯ

Специальность 05. 20. 01. - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Шишлов Сергей Александрович

Уссурийск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................................................................4

1 Состояние вопроса и задачи исследования....................................................................9

1.1 Природно-климатические условия Приморского края..........................................9

1.2 Почвенные условия Приморского края и физико-механические свойства почвы....................................................................................................................................................11

1.3 Классификация дисковых рабочих органов....................................................................17

Задачи исследования......................................................................................................................................29

2 Теоретические исследования..................................................................................................30

2.1 Обоснование конструкции дисковой бороны............................................................30

2.2 Обоснование геометрических параметров и характера движения дискового рабочего органа с изменяющимся углом резания................................34

2.3 Исследование кинематики и динамики диска ............................................................40

3 Программа и методика экспериментальных исследований......................51

3.1 Программы экспериментальных исследований............................................................51

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований..............................51

3.2.1 Условия проведения экспериментальных исследований..............................51

3.3 Методика определения физико-механических характеристик почвы 52

3.3.1 Определение влажности почвы............................................................................................52

3.3.2 Определение твердости почвы............................................................................................55

3.4 Частные методики исследований............................................................................................56

3.4.1 Лабораторная установка для проведения исследований на почвенном канале..............................................................................................................................................................56

3.4.2 Измерение усилия обработки верхнего слоя почвы..........................................59

3.4.3 Измерение пройденного пути..................................................................................................61

3.4.4 Средства измерений, тарировка тензометрического звена........................61

3.5 Методика оценки качества воздействия дисковой бороны с рабочим органом типа «качающаяся шайба» на поверхностный слой почвы ..........67

3.6 Планирование многофакторного эксперимента......................................................73

4 Результаты экспериментальных исследований......................................................88

4.1 Влияние конструктивно-технологических параметров экспериментальной дисковой бороны на изменение тягового сопротивление агрегата..................................................................................................................................88

4.2 Результаты многофакторного эксперимента....................................................................93

4.3 Результаты полевых испытаний дисковой бороны......................................................103

5 Экономическая и энергетическая оценка эффективности внедрения дисковой бороны в технологию поверхностной обработки почвы 110

5.1 Технико-экономические показатели....................................................................................110

5.2 Энергетическая эффективность внедрения дисковой бороны....................113

Общие выводы ............................................................................................................................................118

Список литературы..........................................................................................................................................119

Приложения..............................................................................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Механическая обработка почвы — очень важный элемент в системе земледелия. Способы обработки почвы многообразны. Они зависят от ее качества, зоны и биологических особенностей возделываемой культуры.

Главная задача боронования почвы — создать наилучшие условия для роста и развития культурных растений, получить высокий урожай. Обработка поддерживает корнеобитаемый слой почвы в таком рыхлокомковатом состоянии, при котором растения хорошо снабжаются водой, пищей, теплом и воздухом. В большой мере боронование почвы защищает культурные растения от сорняков, вредителей и болезней.

Боронование способствует крошению, рыхлению, перемешиванию и выравниванию поверхности почвы, повреждению и уничтожению проростков и всходов сорняков.

Однако ранневесеннее боронование зяби в Приморском крае сложно произвести с соблюдением всех агротехнических требований ввиду того, что во- первых почвы имеют тяжёлый механический состав, и во вторых - поднятые при основной зяблевой обработке пласты почвы за время от проведения основной обработки до проведения боронования иссушиваются ветром и становятся намного прочнее. Это служит причиной того, что провести боронование с соблюдением всех агротехнических требований очень сложно.

Повышения качества обработки почвы и снижения тягового сопротивления агрегата можно достичь за счет применения рабочего органа, который в пассивном режиме действует на почву более интенсивно, что позволяет снизить энергозатраты и повысить производительность агрегата.

В связи с этим исследования по совершенствованию поверхностной обработки почвы являются важной и актуальной задачей для современной системы земледелия.

Цель работы

Повышение качества поверхностной обработки почвы на основе совершенствования конструктивно-технологических параметров дисковых рабочих органов.

Объект исследования

Технологический процесс поверхностной обработки почвы, осуществляемый дисковыми рабочими органами.

Предмет исследования

Закономерности влияния конструктивно-технологических параметров на качество поверхностной обработки почвы.

Методы исследований

Анализ и обобщение существующего опыта, аналитическое моделирование и лабораторные методы на основе планирования факторного эксперимента с обработкой результатов на основе прикладной статистики с использованием программы MS Excel на ПК.

Достоверность результатов

Результаты теоретических и экспериментальных исследований согласуются в пределах зоны доверительного интервала, таким образом, теоретические исследования подтверждаются экспериментально.

Научная новизна

Заключается в получении математической модели кинематического обоснования движения рабочих органов, определении тягового сопротивления дискового орудия, оптимизации конструктивно-технологических параметров предлагаемой бороны с дисковыми рабочими

органами, установленными по принципу «качающаяся шайба», позволяющими реализовать заданные агротехнологические режимы для повышения качества обработанного поверхностного слоя почвы.

Практическая значимость

Состоит в разработке по результатам исследований новых сельскохозяйственных орудий для поверхностной обработки почвы, оснащённых дисковыми рабочими органами, конструктивные решения которых защищены патентами РФ №№ 74542, 89920. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и совершенствовании дисковых почвообрабатывающих орудий.

Пути реализации работы

Результаты исследований могут быть использованы на машиностроительных предприятиях сельскохозяйственного профиля, на предприятиях агропромышленного комплекса, а также научными сотрудниками, аспирантами и студентами учебных заведений.

Личный вклад соискателя

Основные результаты работы получены автором лично, в частности все аналитические зависимости, методические разработки экспериментальных исследований. Расчет конструктивных и технологических параметров, а также обоснование энергетических характеристик механизма проведены автором лично. Автор принимал непосредственное участие в изготовлении и монтаже экспериментальной бороны. Автором лично разработаны программы и методики экспериментальных исследований. Проведены исследования, обработаны и обобщены их результаты.

Внедрение результатов исследований

Борона, оснащённая рабочими органами с изменяющимся углом резания внедрена в колхозе «Хвалынский» Спасского муниципального района Приморского края в течение трёх лет.

Апробация

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научно-практических конференциях «Молодые ученые - агропромышленному комплексу Дальнего Востока» (г. Уссурийск, 2010, 2011, 2012 г.г.), заседаниях кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВПО «Приморская ГСХА» (г. Уссурийск, 2011, 2012, 2013). Результаты исследований демонстрировались на краевой выставке-ярмарке научно-технических идей (Владивосток, 2010 г.), научно-технической выставке, посвященной 50-летию института механизации сельского хозяйства «Инновационные технологии и средства в агроинженерии» (Уссурийск, 2011 г.)

Публикации

Материалы исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе в Зх печатных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, а также в описании двух патентов на полезную модель.

Связь научной работы с научными программами, планами и темами

Работа выполнена в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы, программ «Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года», «Концепция развития аграрной науки и

научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года», в соответствии с программами научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО "Приморская ГСХА"

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, основной текст сопровождается 16 таблицами, 71 рисунком и 70 формулами. Список литературы содержит 149 наименований, из них 9 на иностранных языках.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Природно-климатические условия Приморского края

Природные факторы - климат, рельеф, почвы оказывают существенное влияние не только на агробиологическую сторону производства сельскохозяйственных культур, и определяют требования к средствам механизации для их возделывания.

Почвенно-климатические условия Приморского края в основном благоприятны для производства сои. Характерной особенностью земледельческих районов Приморья является муссонный характер климата (рисунок. 1.1.). Здесь малоснежная зима и жаркое влажное лето [3].

В зимний период преобладают сухие ветры, дующие из глубины материка. Они несут холодный и сухой воздух, обеспечивая холодную и ясную погоду. На долю трех зимних месяцев приходится не более 10 % годового количества осадков, снежный покров от 10 до 30 см. Глубина промерзания почвы в Приморском крае превышает 1,5 м.

■ Апрель ИМай В Июнь В Июль ■ Август 1 Сентябрь В Октябрь

Рисунок 1.1- Среднемесячные изменения температуры воздуха

Весна в Приморье сухая и холодная, с сильными ветрами. В весенний период выпадает 1... 15% годового количества осадков. Влажность почвы в это время года определяется, в основном, осенними запасами влаги, которые незначительны из-за малого объема почвы пахотного горизонта [80]. Почвенная засуха в весенний период приводит к иссушению поверхностного слоя почвы, задерживает прорастание в нем семян, нарушает питание и развитие растений [107,108].

2 120 2

аюо

апрель май июнь июль август сентябрь октябрь

Рисунок 1.2 - Среднемесячное количество осадков

Наибольшее количество осадков (60...70 % от годовой нормы) выпадает в период с июня по сентябрь. В это время нередки продолжительные интенсивные ливни, при прохождении тайфунов за сутки иногда выпадает более 100 мм осадков. Максимум осадков приходится на конец июля и август [3].

Такое распределение осадков часто вызывает во второй половине лета переувлажнение почвы и не способствует проведению междурядной обработки посевов сои. В то же время, в результате обильного выпадения осадков, создаются благоприятные условия для массового развития в посевах зерновых и зернобобовых культур сорняков. Высокая в это время тем-

пература воздуха (среднемесячная в июле - августе 18,6...23,6°С) обеспечивает им тепличную обстановку. Посевы чистые от сорняков в июне, в июле - августе становятся засоренными до предела.

1.2 Почвенные условия Приморского края и физико-механические

свойства почвы

Большая часть территории Приморского края занята горами, на долю равнин приходится гораздо меньшая площадь. Равнинные районы охватывают Суйфуно-Ханкайско-Уссурийскую низменную, полосу, вытянутую в северо-восточном направлении. Примерно в центральной части ее расположено оз. Ханка. Западнее озера Ханка равнина ограничивается восточными склонами хребта Пограничного, а на юго-западе — Шуфанским плато. С юга она омывается Амурским заливом, севернее озера Ханка равнинные районы Приморья примыкают к аналогичным районам Китайской Народной Республики и разделяются лишь реками Сунгача и Уссури, по которым проходит государственная граница. К востоку от Суйфуно-Ханкайско-Уссурийской равнины расположена горная система Сихотэ-Алинь [20].

Суйфуно-Ханкайско-Уссурийская впадина состоит из ряда взаимосвязанных озерно-аллювиальных равнин. Среди равнин часто встречаются изолированные одиночные сопки или группы их и даже отдельные возвышенно/

сти низкогорного характера. Наиболее значительной возвышенностью является Хорольское низкогорье, которое пересекает впадину южнее озера Ханка и отделяет Присуйфунскую равнину от Приханкайской.

Сложена впадина мощными толщами озерно-речных отложений— галечниками, песками, супесями, суглинками и глинами. Сопки и возвышенности слагают разнообразные породы, аналогичные породам, встречающимся на окружающих впадину низкогорьях.

Почвообразующие породы на территории Приморского края представлены в основном элювием, элюво-делювием различных плотных пород и аллювиальными озерно-речными отложениями.

Элювий плотных пород характерен для горных склонов и отдельных сопок и возвышенностей, встречающихся на равнинах. Элювий всегда состоит из мелкозема и скелета. Мелкозем по механическому составу в основном относится к пылеватым суглинкам. Содержание скелета и мелкозема в элювии бывает весьма различно. Наряду со слабоскелетными и скелетными суглинками, встречается элювий, который представлен в основном дресвой или щебенкой с незначительным содержанием мелкозема, а иногда и почти полным отсутствием его [20].

Элювий плотных пород обычно имеет рыхлое сложение, и влага выпадающих атмосферных осадков свободно просачивается в почвенную толщу. Проникшая в почвенную толщу влага может уходить в более глубокие слои или боковым внутрипочвенным током стекать вниз по склону. Почвы, развитые на элювии плотных пород, как правило, не испытывают чрезмерного переувлажнения.

Делювий встречается в нижних частях горных склонов и имеет по сравнению с элювием более тяжелый механический состав — тяжелосуглинистый. Эти отложения характеризуются низким содержанием скелета, иногда встречаются крупные обломки различных плотных пород со слабоокатанны-ми гранями. Ввиду тяжелого механического состава, в почвах, развитых на делювии, затруднено просачивание влаги в глубокие слои. Слабая водопроницаемость, а также сравнительно небольшие уклоны местности нередко вызывают сильное переувлажнение почв.

Озерно-речные отложения свойственны для равнинных районов края. Они имеют плотное сложение и тяжелый механический состав — тяжелые суглинки и глины с высоким содержанием илистых частиц. Вследствие плотного сложения и тяжелого механического, состава, эти породы практически водонепроницаемы и поэтому во время летне-осенних дождей почвы

12

претерпевают сильное переувлажнение, особенно на плоских элементах рельефа.

Аллювиальные речные отложения залегают повсеместно в долинах рек. По механическому составу они бывают разнообразны — пески, супеси, легкие суглинки и суглинки. Эти отложения на небольшой глубине подстилаются песчано-галечными отложениями. Иногда песчано-галечные отложения выходят на дневную поверхность. Почвы, развитые на таких отложениях в долинах рек, мало страдают от переувлажнения, за исключением тех случаев, когда при большом подъеме воды в реках они оказываются залитыми[3].

Почвы Приморского края в основной своей массе имеют низкий коэффициент фильтрации,