автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Исследование и обоснование параметров и режимов работы спиральнозубового рыхлителя-выравнивателя с автовибратором для поверхностной предпосевной обработки почвы

/"' / / /">/9 л». < ж*."""

Казанская государственная сельскохозяйственная академия

(КГСХА)

На правах рукописи

Наумов Леонид Григорьевич

УДК 631.313.72

Исследование и обоснование параметров и режимов работы спиральнозубового рыхлителя-выравнивателя с автовибратором для поверхностной предпосевной обработки почвы

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РТ, доктор технических наук, профессор Матяшин Ю.И.

Казань-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОРУДИЙ БЕСПРИВОДНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ....................7

1.1. Применение ротационных рабочих органов на подготовке почвы к посеву...........................................7

1.2. Анализ результатов исследований в области почвообрабатывающих машин с бесприводными ротационными рабочими органами........................15

1.3. Цель и задачи исследований...............................17

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПИРАЛЬНОЗУБОВОГО

РАБОЧЕГО ОРГАНА.........................................18

2.1. Обоснование технологических параметров...................18

2.1.1. Уравнение движения точки спиральнозубового барабана . . .18

2.1.2. Абсолютная скорость и ускорение спиральнозубового рабочего органа.....................................22

2.1.3. Длина пути, проходимого зубом в почве, и обоснование диаметра спиральнозубового барабана..................26

2.1.4. Угол атаки и скольжение спиральнозубового барабана.....43

2.1.5. Подача на один зуб и степень воздействия его на почву.....45

2.2. Обоснование конструктивных параметров спиральнозубового рабочего органа..........................................54

2.2.1. Обоснование формы зуба..............................54

2.2.2. Шаг, угол подъема винта (спирали) и расстановка

зубьев на барабане................................... .59

2.2.3. Анализ сил, действующих при работе спиральнозубового барабана............................................62

2.2.4. Обоснование параметров автовибратора................64

2.2.5. Энергоемкость работы ротационного орудия бесприводного действия со спиральнозубовым барабаном 70

2.2.6. Пример расчета параметров ротационных почвообрабатывающих машин бесприводного действия

со спиральнозубовыми барабанами....................73

2.2.7. Распределение эффективной мощности двигателя трактора при совмещении технологических операций.....80

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ................82

3.1. Программа исследований.................................82

3.2. Методика графоаналитических исследований спиральнозубового рабочего органа.......................83

3.3. Методика полевых исследований.......................... 86

3.4. Обработка результатов экспериментальных исследований и погрешность измерений..................................94

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....96

4.1. Выбор конструкции спиральнозубового барабана с автовибратором СРВУП-2...............................96

4.2. Влияние угла атаки и скорости движения на изменение сил, действующих на спиральнозубовый барабан................98

4.3. Затраты энергии на обработку почвы и скольжение спиральнозубового барбана..............................111

4.4. Сравнительная оценка показателей работы спиральнозубового

и зубчатопланчатого барабанов...........................114

4.5. Агротехническая оценка показателей спиральнозубового рыхлителя-выравнивателя почвы СРВУП-2.................117

4.6. Производственная проверка спиральнозубовых барабанов

в составе орудий на предпосевной обработке почвы..........122

4.7. Экономическая эффективность комбинированной машины РВУ-6, культиваторов КПС-4 и КШУ-6

со спиральнозубовыми рабочими органами.................126

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................130

ЛИТЕРАТУРА.................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Комплекс агротехнических мероприятий, направленных на создание оптимальных условий для развития растений и получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур, предусматривает обязательное проведение поверхностных обработок почвы.

Предпосевная обработка почвы предусматривает рыхление, выравнивание, уплотнение подповерхностного слоя, подрезание сорняков и создание условий, исключающих их выживание. Применение однооперационных агрегатов, выполняющих комплекс указанных технологических операций, связано с растягиванием агротехнических сроков, переуплотнением почвы и повышением энергетических и трудовых затрат. Использование известных комбинированных агрегатов для обработки почвы под посев зерновых колосовых и мелкосемянных культур на глубину 3...5 см в условиях Республики Татарстан неэффективно вследствие неустойчивости глубины хода рабочих органов, большой материалоемкости и высокого тягового сопротивления. Наиболее полно отвечают требованиям к предпосевной обработке почвы (выравнивание поверхности поля при одновременном рыхлении и крошении верхнего слоя почвы, толщина которого соответствует глубине заделки семян возделываемой культуры) ротационные орудия бесприводного типа, но и они требуют совершенствования.

Учитывая агротехническую важность качественной поверхностной предпосевной обработки почвы следует считать разработку бесприводных ротационных рабочих органов актуальной научно-технической задачей.

Целью настоящих исследований является обоснование конструктивных параметров и режимов работы спиральнозубового рабочего органа с автовибратором, обеспечивающего совмещение операций поверхностной

предпосевной почвообработки: рыхления, выравнивания и уплотнения верхнего посевного слоя почвы.

На защиту выносятся следующие положения:

- зависимости для определения скорости и ускорения, длины пути, проходимого зубом в почве, скольжения спиральнозубового барабана;

- обоснование формы зуба и параметров автовибратора, расстановка зубьев на барабане;

- метод, алгоритм расчета и режимы работы спиральнозубового рыхлителя-выравнивателя.

Результаты исследований использованы в НПО "Почвопосевмаш" (г. Кировоград) при разработке исходных требований и конструкции комбинированного агрегата для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур и на Грязинском культиваторном заводе (Липецкая область).

Основные положения диссертации обсуждались на научных конференциях КГСХА, на Всероссийских координационных совещаниях по НТП О.сх.71.04.01.ОЗИ, НТС НПО "Почвопосевмаш".

Работа проводилась в соответствии с научно-технической программой О.сх.71.04.01.ОЗИ "Создать и освоить производство составного комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы и посева зерновых культур" и с планами НИР и ОКР КГСХА.

При выполнении экспериментальных работ и производственной проверки макетных образцов машин участвовали Зимдеханов М.М., Якимов Ю.В., Галямов P.M.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОРУДИЙ БЕСПРИВОДНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ.

1.1. Применение ротационных рабочих органов на подготовке почвы к посеву.

Технологии возделывания сельскохозяйственных культур в природно-климатических зонах 1...5, 7, 10, 14, 18 предусматривает применение на предпосевной обработке почвы комбинированных агрегатов ВИП-5,6, РВК-5,4 и РВК-7,2, машины РИП-4,0, бороны КЗБ-21 и некоторых других орудий /36,43, 44, 51, 52, 58/.

Комбинированное орудие выравниватель-измельчитель почвы ВИП-5,6 предназначено для совмещения операций предпосевной обработки легких и средних по механическому составу почв /75, 76/. Состоит из трех прицепных секций, каждая из которых включает в себя последовательно установленные: игольчатую ротационную мотыгу, подпружиненную выравнивающую доску и клинчато-зубчатый каток.

К недостаткам орудия следует отнести обволакивание растительными остатками и залипание рабочих органов на влажных почвах и невозможность транспортировки по дорогам из-за отсутствия транспортных колес.

Комбинированные агрегаты РВК-5,4 и РВК-7,2 /87/ рыхлят почву на глубину до 12 см за один проход, измельчают комья и глыбы, выравнивают поверхность поля и уплотняют верхний слой. Конструкция агрегатов включает в себя: раму, сницу, брусья с С- или 8-образными рыхлительными рабочими органами, секции дисков, выравниватель, гидротрассу, транспортные колеса. Эти орудия в основном применяют для обработки тяжелых суглинистых почв под посев озимых, так как на влажных почвах весной, рабочие органы залипают.

В НПО ВИСХОМ разработана бесприводная комбинированная машина РИП-4,0 /36/. Она предназначена для предпосевной обработки почвы на глубину до 12 см (после вспашки, дискования). Состоит: из рамы, двух барабанов, соединенных между собой цепной передачей, шарнирно подвешенных фартуков и планчатого катка. Она имеет высокую энергоемкость и сравнительно низкую эксплутационную надежность, хотя достаточно качественно готовит почву к посеву.

В НПО "Белсельхозмеханизация" разработан комбинированный широкозахватный агрегат АКШ-7,2, выполняющий за один проход дробление комков, рыхление почвы, выравнивание и прикатывание поверхностного слоя. Агрегат полунавесной, четырехсекционный с шарнирным креплением секций к раме и механизмов догрузки боковых секций. Каждая секция имеет четыре ряда рыхлителей Б-образного типа и три ряда цилиндрических решетчатых катков со спиральным расположением планок (первый ряд монтируется перед рыхлительными рабочими органами, второй и третий за ними). Машина применяется для обработки средних по механическому составу почв под посев различных сельскохозяйственных культур.

Комбинированная зубовая борона КЗБ-21 предназначена для предпосевной обработки почвы и прикатывание ее после посева /43/. Борона снабжена упругими зубьями, наклон которых к поверхности почвы может регулироваться. Каток изготовлен из стального проката квадратного сечения в виде спирали. Машина предназначена для обработки паровых полей в зонах, подверженных ветровой эрозии. Машиноиспытальные станции к недостаткам относят чрезвычайно большую ширину захвата (21,3 м), высокую материалоемкость, агрегатирование с тяжелыми тракторами (кл. тяги 5), кроме этого на влажных почвах катки залипают и перестают вращаться.

Известны орудия с конусными зубовыми рабочими органами /25, 63/, работа которых более эффективна в сравнении с цилиндрическими. Однако они имеют следующие недостатки: сложны в изготовлении, требуют установки двух барабанов, обработка почвы по ширине захвата неоднородна.

ВИМом и КГСХА разработаны ротационные орудия с использованием винтозубовых (спиральных) рабочих органов (а.с. 1433637, а.с. 1475499), позволяющих выполнить за один проход несколько операций: рыхление почвы, дробление комков, перемешивание удобрений с почвой, уничтожение сорняков и выравнивание поверхности поля.

Это достигается благодаря тому, что каждый из барабанов орудия выполнен в виде конической или цилиндрической спирали, витки которой снабжены зубьями (прямыми или эвольвентными, одинарными или П-образными). Зубья на витках размещены равномерно с расстоянием равным шагу винта, что позволяет обеспечивать равномерность воздействия зубьев на единицу площади, а следовательно и однородность обработки почвы. Барабан может быть установлен афронтально, т.е. изменением угла атаки достигается регулирование степени крошения почвы и выравнивания поля /63/.

Известен культиватор-плоскорез игольчато-роторный КПИР-3 для поверхностной обработки почвы, позволяющий за один проход провести плоскорезную обработку почвы, крошение пласта игольчатыми дисками и уплотнение посевного слоя легкими прутковыми катками /47/.

С таким же назначением известно почвообрабатывающее орудие с комбинированными рабочими органами включающее плоскорезные лапы, где режущая кромка каждого крыла выполнена в виде двух логарифмических спиралей и барабаны с трапециедальными зубьями /10/.

За рубежом для подготовки почвы к посеву широко применяют различные машины, в состав которых входят бесприводные ротационные рабочие органы.

В Великобритании применяют орудие /111/, конструкция которого включает в себя три секции с возможностью установки под различным углом атаки. Рабочие органы представляют собой набор игольчатых борон неодинакового диаметра, установленных на валу с угловым смещением (рис. 1.1).

Опредленный интерес представляет машина, рабочие органы которой выполнены из листового материала /114/. Между двумя соединенными дисками на их ступицы посажен диск, свободное перемещение которого в вертикальной плоскости обеспечивает самоочистку.

В патенте ФРГ № 2818274 предложен агрегат для предпосевной обработки почвы, состоящий из следующих рабочих органов: выравнивателя, рыхлящих лап и двух пар ротационных борон. Для лучшего крошения почвы ротационные бороны соединены между собой цепной передачей.

Ножевые вращающиеся бороны предложены в патенте Великобритании № 1234263 /110/. Они предназначены для предпосевной подготовки, главным образом задернелых и засоренных почв.

Определенный интерес представляет комбинированное орудие

KRÜMEL-PACKER фирмы "ACCORD". Оно состоит из следующих последовательно установленных рабочих органов: пружинных стоек для легких культиваторов (шесть рядов) и спиральных катков ромбического поперечного сечения (установлены в два ряда со смещением) с зубьями.

Фирмой "SCHMOTZER", специализирующейся на произвостве сельскохозяйственных машин для возделывания сахарной свеклы, выпускается комбинированное орудие для предпосевной обработки почвы. Конструкция его состоит из последовательно установленных 4...6 рядов пружинных зубьев и двух рядов катков: первый ряд - прутковый каток, а второй - кольчато-клинчатый.

В комбинированных орудиях для предпосевной почвообработки

и

Рис.1.1. Бесприводные ротационные рабочие органы: 1,2,3,7 - Патент № 2439595 (ФРГ); 4 - A.c. № 929023 (СССР); 5- A.c. № 852192 (СССР); 8 - MBH - 2,8; 9 - A.c. № 990096 (СССР); 10 - A.c. № 736897 (СССР); 11 - Патент № 2849891 (ФРГ); 12 - БИГ- ЗА; 13 - A.c. № 1176860 (СССР); 14 -Патент № 3297096 (США); 15 - Патент № 321809 (ФРГ); 16 - РИП - 4,0; 17 -Патент № 1401800 (Англия); 18 - A.c. №1329638 (СССР).

фирмы "RAU" для дополнительного крошения и уплотнения почвы применяют приспособление, состоящее из двух прутковых катков: первый -диаметром 290 мм, а второй - 230 мм. На тяжелых почвах прутковые катки такого же диаметра не эффективны, поэтому для создания мелкокомковатой структуры посевного слоя применяют кольчато-шпоровый каток диаметром 320 мм.

Фирма "BRILLION" выпускает комбинированное орудие MB-148, состоящее из двух рядов С-образных рыхлителей почвы и двух рядов кольчато-зубовых (кембриджских) катков, причем первый ряд установлен перед рыхлящими рабочими органами, а второй за ними /121/.

Выпуск прицепных комбинированных почвообрабатывающих орудий производит фирма "BEARCAT". Орудие включает в себя последовательно установленные рабочие органы: кольчато-шпоровый каток, два ряда С-образных рыхлящих зубьев и клинчато-зубовый каток.

Для дополнительной обработки почвы после вспашки в ряде стран применяют дисковые бороны фирмы "PETTIT" как с гладкими, так и с вырезными дисками /116/.

Определенный интерес представляет приспособление для интенсивного крошения и ускорения усадки почвы перед посевом, выпускаемое фирмой "NIEMEYER" /126/. Оно включает в себя: катки Кэмпбелла (раздельно-клинчатые катки), называемые также уплотнителями подпочвы, и крокскиль-катки с боковыми клиновидными выступами.

Для подготовки почвы к посеву фирмой "RABE WERK" выпускается орудие, включающее уплотнитель подпочвы типа катка Кэмпбелла диаметром 1500 мм и двух рядов разреженных между собой крокскиль-катков диаметром 350 мм /125/. Первый ряд смонтирован перед уплотнителем подпочвы, а второй за ним, причем крокскиль-катки установлены со смещением и уплотняют верхний слой почвы между следами от катков Кэмпбелла.

Фирмой "EFKA KLAUSING" выпускается комбинированное орудие, предназначенное для подготовки стерневых агрофонов к посеву /119/. Оно состоит из последовательно установленных культиваторных лап с жесткими стойками и долотообразными наральниками для рыхления почвы на глубину до 35 см, приспособления, разрезающего поднятый лапами пласт, и зубчато-планчатого катка, планки которого изогнуты по винтовой линии.

Катки типа Кембридж диаметром 450 или 500 мм используются в качестве рабочих органов в машине для окончательной подготовки почвы к посеву, выпускаемой фирмой "LANWRENCE EDWARDS" /123/. Она состоит из трех секций, при транспортировке по дорогам боковые секции складываются, а машина опирается на пневматические колеса.

Аналогичную продукцию выпускает фирма "EBERHARDT" /124/. В конструкциях применяют катки типа Кембридж диаметром 390, 450, 500 и 650 мм.

Известно орудие для предпосевной обработки почвы TASKERS MULCHTRAIN /132/. Оно включает в себя: батарею вырезных сферических дисков, для разрезания стерни, упругие стойки квадратного поперечного сечения с лапами рыхлительными оборотными для обработки стерни и почвы на глубину до 20 см, лапы с жесткой стойкой и долотообразным наральником