автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Механико-технологическое обоснование эффективных способов и технических средств основной обработки почвы

На правах рукописи

БОЙКОВ ВАСИЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОЬОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальное*!.: 05.20.01 - Механизация сельскохозяйсгаенйого производства

АВТОРЕФЕРАТ' диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов -1998

Работа выполнена в Саратовском государственном аграрном университете имени Н.И.Вавилова. •

Научны» консультант - доктор технических наук, пррфе?сор

' А.А.Аникин

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

С.А.Ивженко

- доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н.К.Мазитов

- доктор технических наук, профессор В.А.Милюткин

Ведущая организация - ОАО «ВНСХОМ»

Защита диссертации состоится «2 7_» ноября 1998 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 120.72.02 в Саратовском государственном аграрном университете им. 'Н.И.Вавилова по адресу 410600, г. Саратов, ул. Советская, дом 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан «_» октября 199£ г.

Ученый секретарь _ .

диссертационного совета ¿j^^jL Н.П.Волосевич

доктор технических наук, профессор /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность саботк. Основная обработке почвы является сс-мой энергоемкой операцией при производстве продукдкл растекие-водства. На ее долю приходится около 40 % эиергсресурссв сельского хозяйства. Вместе с тем, основная обработка существенно влгяет на урожайность сельскохозяйственных культур. Современные способы и средства основной обработки часто ке обеспечивают выполнение агротехнических требований, что приводит к снижению урожайности на 10-3 5 %. Кроме того, выполнение обработки почвы не в оптимальные сроки способствует еше большим отрицательным последствиям. Очевидно, что снижение энергоемкости и улучи ение качества основной обработки почвы - важная народнохозяйственная задача.

В нашей стране и за рубежом предложено много различных технических средств, позволяющих снизить энергоемкость а повысить качество обработки. Однако ожидаемые от их применения положительные результаты достигаются лишь в отдельных случаях, причем получить одновременно снижение энергозатрат и хорошие качественные показатели обработки почвы не удается. Это свидетельствует о том, что практически исчерпаны возможности совершенствования известных способов основной обработки почвы.

Существенного прогресса в снижении энергозатрат можно достигнуть за счет применения безотвальной обработки почвы, но при этом не гарантировано ее высокое качество. Дальнейшее, развитие этого перспективного направление сдерживается отсутствием теории процесса крошения пахотного слоя, находящегося в различных технологических состояниях. Поэтому создание такой теории является актуальной научной проблемой, решение которой открывает возможности разработки и обоснования новых способов и высокоэффективных почзосбрабатывающих орудий, для 'отвальной а безотвальной технологий обработки-пахотного слоя.

По данной проблеме автором были выполнены исследования в соответствии с планом НИ? Саратовского института механизации сельского хозяйства (ныне СГАУ) по темам: "Усовершенствовать технологии и машины для основной обработки почвы" (гос. per. Хо>Ъ 79032752, 78055863, 01816004439), "Применение высококачественных материалов с редкоземельными металлами, при производстве ответственных деталей почвообрабатывающих маиин" (roc. per. ,N'«jN'» 01360015070,. 1066450), координационными программами НИ? и ОКР на 1990-1995 гг. по проекту 0.12.09.001 "Зональный зерновой .комплекс" и "Плодородие пгтны" (ГЫХП 0:12 "Высокоэффективные процессы производства лхродоаольсхвия"). .

Цель работы. Снижение энергоемкости и улучшение качества основной обработки почвы за счет применения почвообрабатывающих орудий, основанных на новых принципах создания нап.ряженно-деформкрованного состояния пахотного слоя.

Научная новизна. Получены принципиальнее решения снижения энергоемкости и улучшения качества обработки почвы, основанные на реализации чистого сдвига и разнонаправленных деформации пахотного слоя.

Научная ценность работы. Установлены закономерности сезонного изменения основных механических характеристик почвы, включая процесс трещинообразования и технологические состояния пахотного слоя. Обоснованы эффективные способы крошения пахогг него слоя, закономерности процесса крошения и его энергоемкость. Разработаны теоретические основы выбора основных параметров новых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий. Новизна технических решений подтверждена 9 авторскими свидетельствами на изобретение, 1-патентом, 1 свидетельством на полезную модель.

Практическая ценность работы. Полученные результаты исследований служат основой для выбора энергосберегающих способов обработки почвы. Они позволили создать новые плоскорезы-глубо-корыхлители к современным тракторам с постоянной и регулируемой шириной захвата, плуги-рыхлители серии ПРНС и ПБ, игольчатые рыхлители, а также приспособления к плугам-рыхлителям для дополнительного крошения пахотного слоя и выполнения отвальной обработки почвы, рабочий орган культиватора для сплошной обработки почвы, сошник стерневых сеялок, износостойкий и долговечный лемех для плугов общего назначения. Новые технические средства были испытаны на машиноиспытательных станциях. Результаты испытаний изложены в 15 протоколах, 2'актах, 1 отчете^МИС. Плуги-рыхлители серии ПРНС и ПБ, новый лемех прошли государственные приемочные испытания на Поволжской МИС и рекомендованы к производству.

Предлагаемые почвообрабатывающие орудия имеют высокий технический уровень, низкую металлоемкость и позволяют выполнять основную обработку почвы с заданным качеством, увеличив при этом производительность пахотных агрегатов на 27-66 и одновременно сэкономить- 22-41 % топлива на 1 га.

Реализация результатов. Плоскорезы-глубокорыхлители с новыми рабочими органами использовались i. хозяйствах Саратовской области в 1982-1986 гг. на площади 132569 га.

С 1987 г\ в хозяйствах Саратовской и других областей применяются плуги-рыхлители с новыми рабочими органами, приспособления к этим плугам, новые рабочие органы.

Результаты исследований, начиная с 1952 г., использованы Третьим подшипниковым заводом и ПКП "Лигатура" Гг. Саратов) для выпуска высокоэффективных плугов-рыхлителей ПРНС-7, ПРНС-5, ПРНС-2 и новых рабочих органов к серийным почвообрабатывающим орудиям.'За период с 1992 по 1996 гг. на этих предприятиях было изготовлено и реализовано 1718 плугоз-рыхлителей серии П?ЧС, 47992 шт. новых рабочих органов к серийным культиваторам лля сплошной обработки почвы. В 1997 г. по ТЗ Саратовского министерства сельского хозяйства на производственных площадях учреждения УШ-332/33 УИН УВД (г. Саратов) было организовано производство плугов-рыхлителей ПБ-5, ПБ-9 и новых плужных лемехов. За период с июля по сентябрь 1997 г. их было изготовлено и реализовано 25 шт., 4 шт., 10538 шт. соответственно. 3 1998 г. ОАО «Саратовский крановый завод» и ОАО «Завод Белинсксельмаш» (Пензенская обл., г. Каменка) начали выпуск плугов-рыхлителей серии ПБ. 3 первом квартале 1998 г. этими предприятиями было изготовлено 5 шт. (ПБ-3), 95 шт. (ПБ-5) и 74 шт. (ПБ-9).

Разработанные научные положения получают дальнейшее развитие и применение при подготовке кандидатских диссертаций аспирантами и соискателями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы .доложены, обсуждены и одобрены, начиная с 1977 г., на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов . и научных сотрудников СИМСХ им. М. И. Калинина (СГАУ), областной научной конференции "Молодые ученые и специалисты - сельскому хозяйству" (Саратов, 1977 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состав", аспирантов и научных работников ЦИМЭСХ (1979 г.), научно-технической конференции ВНИПТИМЗСХ (1934г.), координационном сочетании по противоэрозионной технике (Целиноград, ГСКБ ПЭТ, 1936г.), НТС Минсельхозпрома РСФСР (1991 г.), научно-технических совещаниях отдела механизации НПО ''Элита Поволжья" (1995 г.), -:а шестой международной научно-технической конференции В ИМ (1997 г.), на научно-практической конференции «Развитие адаптивных почвозащитных систем земледелия в Поволжье» (Саратов, НИИСХ Юго-Востока, 1998 г.). Конструктивные разработки экспонировались на ВДНХ СССР в 1982 и 1986 гг. и были отмечены серебряной и бронзовыми медалями.

Публикации.• По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, 9 из которых - авторские сзидетельстза на изобретения, 1 -патент Российской Федерации, 1 - свидетельство на полезную модель. .По данной проблеме под руководством автора защищены дзе

диссертации на. соискание ученой степени кандидата технических .наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит. КЗ введения, пяти глав, общих вызсдов, списка использованной литературы и • приложений; содержит 224 страницы машинописного текста, 93 рисунка, 20 таблиц., список использованной литературы из 144 наименований, приложения ка 53 страницах. Общий объем - 370 страниц.

На защиту выносятся следующие положения: Теоретические основы процесса крошения почвы с учетом закономерностей сезонного изменения механико-технологических свойств пахотного слоя; мзлоэнергсемкие способы обработки почвы, разработанные на ос- ■ нове реализации деформации чистого сдвига или двухосного сжатия.; научные основы расчета параметров предлагаемых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий; результаты -.чспериментальных исследований и испытаний разработанных почвообрабатывающих орудий и их эксплуатационно-технологическая и . технико-экономическая оценка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.'

1. Состояние цроблемы, цель и задача исследований

Дан анализ результатов испытаний современных и перспективных почвообрабатывающих орудий на машиноиспытательных станциях, в частности, на Поволжской МИС, применяемых для основной обработки почвы. %

Главной целью основной обработки почвы является крошение пахотного слоя на фракции, размеры которых должны соответствовать агротехническим требованиям. Установлено, что ка размеры фракций значительное влияние оказывают технологические свойства пахотного слоя.. Основная причина низкой эффективности применяемых почвообрабатывающих орудий заключена в том, что существующие клиновидные рабочие органы воздействуют на почву преимущественно одноосйым сжатием пахотного слоя.

Земледельческая механика составляет научную базу анализа и. создания способов обработки почвы. Применительно к почвообрабатывающим орудиям теоретической основой является теория, предложенная академиком В. П. Горячкиным, опирающаяся на основные положения теории резания металлов, разработанные К. Н. Зворыкины^. Эта теория предназначена для оценки энергоемкости взаимо-

действия рабочего органа с пахотным слоем. Однако результаты расчета тягобого cor '-..тивления рабочего органа, выполненные согласно згой теории, обычно значительно отличаются от действительных.

Значительный вклад в развитие теории В. П. Горячкина внесли А. Н. Зеленин, И. Л. Айзеншток, В. А. Желигсвскии. Г. П. Си.че-ков, Ю. А. Ветров, Д. И. Федоров, В. В. Кацыгин. А. К. Кострична, "А. М. Кущнарев, П. Н. Бурченко, Ю. В. Новиков к др. При этом основное снимание ученых было уделено энергоемкости процесса обработки почвы, а крошение пахотного слоя, i. е. главный процесс основной обработки почвы, оставался нерешенной научно;! проблемой.

Анализ работ по механике разрушения материалов показывает, что проблему крошения пахотного слоя возможно решить на сазе теорий дробления или измельчения материалов, разработанных Киком. Бондом, Риттингером, которые были обобщены академиком П. А. Ребиндером. Однако обобщенная теория описывает только качественную сторону процесса дробления материала и не раскрывает механизма дробления. Как показали исследования, серьезный потенциал возможностей, заложенный в теории П. А. Ребиндера, а также фактический материал, имеющийся по механике разрушения, являются достаточными для разработки теории крошения пахотного слоя, на базе которой зозможно создание эффективных способов обработки почвы и технических средств их выполнения.

В соответствии с поставленными целью и научной проблемой в работе предстояло решить следующие задачи: • •

1. Исследовать технологичес: ie свойства пахотного слоя.

2. Разработать теоретические основы крошения пахотного слоя.

3. Обоснова-. j, опираясь на предложенную теорию крошения, новые способы обработки почзы и технические решения их выполнения.

4. Разработать теорию расчета основных параметров новых технических средств.

5. Провести экспериментальные исследования технологического процесса основной обработки почвы, выполняемого предлагаемыми и известными почвообрабатывающими орудиями.

6. Оценить эффективность применения предлагаемых почзооб-' рабатывающих орудий и реализовать результаты исследований."

2. Механико-техц'ологическое обоснование

эффективных способов основной обработки почзьг

Пахотный слой и внешняя среда в целом составляют систему, имеющую входные факторы и выходные параметры. Все входные факторы можно разделить на две группы. В первую включают фак-

- S -

торы, определяющие состояние внешней среды: X, - время; Хг - тем-, пература внешней среды; Х3 • количество осадков, выпадающих на пахотный слон; Х4 - скорость движения воздуха над поверхностью пахотного слоя; Х5 - растительный покров пахотного слоя; Х6 - атмосферное давление; Х7 - массовые силы самой почвы и силовое воз-действле сельскохозяйственных машин к орудий.

Вторая группа характеризует материал пахотного слоя: Уг -форма и размеры твердых частиц; У; - масса твердых частиц; Уз -объем твердых частиц; Ул - масса воды; У< - объем воды; Уб - масса воздуха; У? - объем воздуха.

Выходные параметры отражают механико-технологическое состояние пахотного слоя. К ним относятся: Ъ\ - сила сцепления твердых частиц; Z; - коэффициент внутреннего трения; Zj - твердость пахотного слоя; Z4 - распределение твердости по глубине пахотного слоя; Zj - распределение влажности по глубине пахотного слоя; Z¿ -пористость пахотного слоя; Z: - распределение пористости по глубине пахотногб слоя; Zs - модуль деформации; Z5 - коэффициент Пуассона.

Установлено, что влияние фзкторов первой н второй групп на механико-технологическне свойства конкретного пахотного слоя в основном определяется изменением влажности, твердости к глубиной обработки почвы, при этом влажность пзхотного слоя существенно определяет его твердость.

Закономерность изменения твердости пахотного слоя Нп от его влажности н глубины обработки приблизительно можно описать следующим, выражением:

Н0 = Н;(1 - W, / + k„ac, (1)

где Н0' - твердость дневной поверхности пахотного слоя, МП а;

\V„ - действительная влажность обрабатываемого слоя почвы, %;

Wt - предельная влажность обрабатываемого слоя почвы, %;

к„ - коэффициент пропорциональности. МПа'м;

ас - глубина пахотного слоя, м.

Распределение пористости пахотного,слоя аналогично распределению твердости и выражается следующим равенством:

Дс = ксАН„, (2)

где Де- величина изменения пористости пахотного слоя;

кБ.> коэффициент пропорциональности, м2/МН:

ЛНп - величина изменения твердости пахотного слоя, МПа.

По механическим качествам обрабатываемый пахотный слой является упруго-пластичным материалом, который обладает вязкими, пластичными и, с осноеном, хрупким« свойствами. При этом мо-

дуль упругости пахотного слоя з нерзом приближении определяется по выражению:

= к.Н,, (3)

где кЕ- коэффициент пропорциональности.

Коэффициент Пуассона

.ип = к5 / (1 + кб), (4)

где к5 - коэффициент бокового давления почвы.

На основании выражения

г, -- е„{\ + ку(\уа - \у,)], (5)

где длина образца при конечной равновесной влажности, .м;

- начальный линейный размер водосодержащего образца, м;

- линейный коэффициент усадки;

^'а, - начальная и конечная равнсзесная влажность образца, %

установлено, что дневная поверхность пахотного слоя, влажность которой соответствует физической спелости почвы, з результате зы-сыхания г.очвы сжимается. Происходит растрескивание пахотного слоя под дейстзием растягивающих напряжений. На его дневной поверхности появляется сеть трещин, которые в вертикальном направлении щелями разделяют пахотный слон на отдельные фрагменты. Ячеи сетки трещин з основном Ямею: шестиугольную форму, реже четырехугольную. При этом длина стсрочы шестиугольника 'Лли четырехугольника в среднем составляет 15...30 см, а угол между трещинами з узле сетки Слизок к 120° или 90% соответственно.

На основании проведенных исследований установлено, что в зависимости от влажности пахотный слой перед началом его обработки может находиться в четырех технологических состояниях, которые можно представить следующими схемами (рис. 1).

Состояние А соответствует .физической спелости почвы п минимальной прочности и является оптимальным для обработки конкретного пахотного слоя. Качестзо обработки почвы, з частности, крошение пахотного слоя рабочими органами известных почвообрабатывающих орудий, в этом случае соответствует агротехническим требованиям. В результате интенсивного лепареялл злати пахотный слой из состоянт А переходит з состояние В. Оно также лзляетсл благоприятным для обработки пахотного слоя. Однако в этом состоянии пахотный слой может находиться непродолжительнее зремя, ;1 его можно считать переходным к устойчивым третьему .четвертому состояниям.

и

тж

\

Рис. 1. Схемы технологических'состояний обрабатываемого пахотного ело*: 1 - подпахотный слой; 2 - пограничный слои; 3 - пахотный слой; 4 - напряженный слой;

• 5 - почБенный фрагмент; 6 • щель

При низкой влажности пахотный слой обычно находится в состоянии С и реже в состоянии Б, которые характеризуются высокой твердостью пахотного слоя (3...6 МПа). Наружная оболочка почвенного фрагмента, находящегося в состоянии С, имеет большую проч-"¡юсть, чем внутренняя его часть. Оболочка П-образной формы, толщин;; которой в вертикальном .направлении больше, чем е горизонтальном. В четвертом технологическом состоянии почвенный фрагмент в сечении имеет прямоугольную форму, при этом его прочность' значительно выше, чем пахотного слоя. Размеры почвенных фрагментов ь эти:; состояниях соизмеримы с шириной захвата большинства рабочих органов, применяемых для основной обработки почвы.

Анали.; технологических состояний пахотного слоя показывает, что главная причина низкого качества обработки пахотного слоя, находящегося в состоянии С и Б, - это наличие в нем почвенных фрагментов, которые известными способами практически невозможно разрушить на фракции, соответствующие агротехническим требованиям.

Если рассматривать пахотный слой в физическом аспекте, то он в любых состояниях, в сущности, является поверхностным слоем твердого материала. Осуществить крошение или дробление не всего твердого тела, а позерхностного его слоя, .можно двумя способами (рис. 2).

По первому способу от поверхностного слоя материала отделяются частицы требуемого размера. Работа, затрачиваемая на отделение частицы, равна:

А = Ас 1- А{, (б)

где Ас - работа, затрачиваемая на отделение объема частицы, Дж;

Аг - работа, затрачиваемая на преодоление трения, -озликающе-

го в процессе отделения объема, Дж.

а

и * U'.MI w n'lnu»

GGODDD

Ulli

OüCÖQ

GOCO СОСО

ПТТТ JUL

Рис. 2. Схемы процесса дробления поверхностного слоя материала: а - первый способ дробления; б - г горой способ дробления;! - твердый материал; 2 - частицы, образующиеся в результате крошения; 3. - отделенный объем .материала

Если принять, что за счет смятия тонкого слоя материала от поверхностного- слоя материала отделяется частица, которая имеет форму куба, то работа, затрачиваемая на дробление определенного' объема поверхностного слоя материала, ограниченного также поверхностью куба,, будет-определяться по следующему выражению:

Аи = а>г5сгсм(1 + кг) 1 й, - (7)

где а* - длина стороны куба, подверженного дроблению, м;

пг - число несвободных граней кубической частицы, по которым производится ее отделение; 6 • толщина сминаемого слоя, м; сс - предельные напряжения смятия материала, Па; кг - коэффициент, показывающий соотношение работы, затрачиваемой на трение, и работы, затрачиваемой на отделение кубической частиц;

с1 - длина стороны кубической частицы, м.

По второму способу дробления от поверхностного слоя материала смятием тонкого слоя происходит отделение определенного объема материала с последующим дроблением этого объема за счет его деформации на части нужного размера. В этом случае, согласно теории академика П. А. Ребиндера, формула работы, затрачиваемой на дробление поверхностного слоя материала, будет иметь следующий вид:

А„ •= Ас + Аг -г Ау + А„ + кЛДБ, (8)

где Ау - работа, затрачиваемая на упругие деформации отделенного объема материала, Дж;

Ап - работа, затрачиваемая на пластические деформации этого объема, Дж;

кА - коэффициент рропорциовальности, Дж/м~;

ДБ - площадь свободной поверхности тел, образующихся при

дроблении, м2.

Если материал хрупкий, то работа, затрачиваемая на дробление определенного объема поверхностного слоя материала, имеющего форму куба, определяется по выражению:

К = + к,) + /'б|(о, - с,)1 + .

' • + (о, - *>>' + - + ц) / Е , ■ 4 (9)

где г*-длина стороны куба, м;

Оп Оа; о3 - главные напряжения, возникающие в отделенном кубе при его деформации, Па; Е - модуль упругости материала, Па; ц- коэффициент Пуассона материала. г.

В результате поглощения энергии отделенным объемом поверхностного слоя- материала при его деформации этот объем будет разрушаться на различное количество частей. Установить точно, на сколько частей происходит разрушение материала, находящегося б хрупком состоянии, не представляется возможным. Однако на основании современных достижений в области теории разрушения материалов можно сделать вывод, что в основном дробность разрушения

материала увеличивается пропорционально квадрату эквивалентного напряжения, т. е. напряжения, при котором разрушается материал. Величину этого напряжения, согласно теориям прочности, определяет соотношение главных напряжений.

На основании проведенных исследований оценку дробности разрушения хрупкого материала производили по следующей эмпирической зависимости:

nt = < / с;, (10)

где г., - число трепгак. возникающих в материале при его деформации;

с, - эквивалентное напряжение. Па;

С* - постоянная материала, пропорциональная его модулю упругости, Па.

Учитывая, что

(«■ - «J + (с, - с,)' + (с, - о,У = 2(о, - к'с3)\ (11)

гдек' = У'кЗ; "

[cípjífo'c]- предел прочности материала при растяжении и сжатии, соответственно; система уравнений

• ÍA, = nr8a;<rc(l + kf) + < / з[(1 - и) / е](<т, - ко,);

1 П2)

[п, = <т; / С» .

будет определять энергоемкость дробления и дробность разрушения поверхностного слоя материала, находящегося в хрупком состоянии.

Установлено, что первый способ дробления (см. рис. 2) рационально использовать для обработки пахотного слоя на небольшую глубину и технически реализовать за счет взаимодействия игл с дневной поверхностью пахотного слоя в вертикальном направлении с последующим их поворотом (рис. 3).

Анализ системы уравнений (12) показывает, что разрушение отделенного объема поверхностного слоя материала происходит при

условии (с, - k'G,) = с?-,, при этом для конкретного материала С, = const.

Величина усилий, затрачиваемых на разрушение, будет минимальной в случае, есля [о, — (—k'cr3)| = <7Э, т. е. главно^ напряжение с i должно сжимать объе :, а - растягивать его. Такую деформацию объема возможно реализовать за счет чистого сдвига.

Рис. 3. Схемы выполнение нового способа обработки почвы игольчатым рабочим органом: 1 - деформатор; 2 - пахотный слой; 3 - следующее положение де-. форматора

Установлено, что максимальное крошение объема материала при постоянной скорости приложения усилий возможно обеспечить, если О: = С] или С: = Сэ, и выполняется условие двухосного, сжати? объема. При этом направления действия напряжений с^о* или Сг;аз и соответствующие им внешние давления должны быть взаимно перпендикулярны. Также установлено, что крошение возрастает при увеличении интенсивности деформации отделенного объема материала за счет роста Сэ (см. выражение 12).

Как показали исследования, принципиально решить вопрос обеспечения деформации, твердого тела за ячет чистого сдвига или двухосного сжатия возможно, если тело будет иметь цилиндрическую форму, а нагружение цилиндра производить внутри или снаружи цилиндра. Вопрос о напряжениях в стенках толстостенного цилиндра, подверженного внутренним и внешним давлениям, впервые был решен Ляме. В этом случае в цилиндре возникают радиальные и окружные напряжения, которые являются главными и определяются по следующим выражениям:

а, = (Р,я; -Ргк;) / (к; - я;) - [(?,-ргж,к,] / [(к - о*]

а, = (Р.И; -Рзя;) / - я;) + [(Р,-Р/ЖД2] / [(м - к;у] (13)-где а, - нормальные напряжения, -действующие в радиальном направлении, Па;

Р1 - внутреннее давление, Па; *

р2 - внешнее давление, Па;

г - координата (радиус) рассматриваемой точки в теле цилиндра, м; с( - нормальные напряжения, действующие в окружном направ-, лекии, Па;

- внутренний радиус цилиндра, м;

, К.2 - наруленый радиус цилиндра, м.

При Е., -> оо ц р, = р выражения (13) принимают вид:

а, = -рБ^ / г1; сг, = / г. (14)

Это значит, что для цилиндра с бесконечно большей толщиной стенки радиальное напряжение в любой точке равно окружному, т. е. все точки цилиндра находятся в состоянии чистого сдвига. Цилиндр с отношением К: / К.1 > 4 можно рассматривать как цилиндр, имеющий бесконечно большую толщину стенки, при зтом форма внешнего контура может быть произвольной (плоской). Разрушение такого цилиндра произойдет, когда сгэ = 2 р.

При 11| = 0, р2 = р напряжения в цилиндре распределяются равномерно стг = сгг = р, и все точки цилиндра находятся в состоянии двухосного сжатия, а разрушение цилиндра произойдет при р = <у, / 2.

Анализ условий разрушения цилиндра показывает, что если полый цилиндр имеет бесконечную толщину стенки или внутри цилиндра отсутствует отверстие, то давление, затрачиваемое на разрушение, в обоих случаях будет одинаковым н по величине в два раза меньше эквивалентного напряжения. Эти два способа разрушения материала энергетически эквивалентны. Однако второй способ (когда р2 = р) будет обеспечивать высокую дробность разрушения материала.

Создать давление в цилиндре возможно за счет вдавливания ко- -нического деформатора в цилиндр или обжатия цилиндра конической поверхностью. Практически, реализовать такие способы разрушения применительно к обработке пахотного слоя, который,можно представить как цилиндр с К. со или И, = 0, возможно, если отделение объема от пахотного слоя производить торцом или вершиной половины конической поверхности, а деформацию и разрушение отделенного объема - частью конической-поверхности. Полученные принципиальные решения разрушения пахотного слоя явились основой создания новых способов обработки почвы, схемы выполнения которых представлены на рис. 4.

3. Механнко-технологнческое обоснование новых технических средств для выполнения основной обработки почвы

Схемы выполнения новых способов обработки почвы явились основой для разработки и теоретического обоснования формы рабочих органов, предназначенных для основной безотвальной технологии обработки почвы (рис. 5).

Первоначально для исследований величину основных параметров рабочих элементов новых рабочих органов принимали равной

в

Рис. 4. Схемы вьшолненил новых способов обработки почвы: а - основанные на принципе реализации двухосного сжатия (1-ый способ); б - огноЕанкые на принципе частичкой реализации двухосного сжатия (2-ой способ); в - основанные из принципе реализации чистого сдвига (3-ий способ); 1 - деформатор; 2 - пахотный слой

величине параметров рабочих элементов существующих плоскорежущих и рыхлящих рабочих органов.

Теоретические исследования плоскорежущего рабочего органа проводились на основе разработанных выражений для определения тягового сопротивления рабочего органа, которые имеют следующий вид:

1 О с т 1 и >

рп_ -)рп

(15)

где ?о • тяговое сопротивление рабочего органа, кН; Р" - тяговое сопротивление стойки, кН; Р н - тяговое сопротивление ножа, кН; Р " - тяговое сопротивление лемеха, кН.

а

б

Рис. 5. Принципиальные схемы новых, рабочих органов для безотзальной технологии основной обработки почвы: а - плоскорежущего (1 - стойка; 2 - линейный нож); б - рыхлящего (1- коническая стойка; 2 - полукоиус)

В развернутом виде

Р"= <?рас|зс / эт^/с*»'''', + соз;>|/ +- ас / ъта^лЁу, +• сте2 а + 2Ь,

х [созф + ГЁф5ш(а + ф)соза] + [к,е'Ь,5ш2езш(5 + ф)] / / 2зт!(а + £)сскр;

Р> [к.гЬ^тЗе'зтСЭО" - 5 -к <р] ' 2$т!(Р +е'><»ф + + арас / 2зт\}/[со51(151п7 + tgфsш(l^^ + РХсов'у + соз(Ззт:7)] х х [2/ - аД^ч/, / зту - с:дч/с1ду)] -г- аб,

+ р^ас£Ь,соз'рзт(а' + ф) / созф + + 2рпас£игзша'зт(а' + ф) / зсобф ,

где сгр - предельные напряжения разрушения почвы, кПа; ас - глубина обработки почвы, м;

- угол сдвига почвы в вертикально-продольной плсскости; VI - угол сдвига почвы г поперечно-вертикальной плоскости; а - передний угол резания стойки;

bi - толщина стойки, м;

Ф - угол трения почвы по материалу стойки;

ki - коэффициент объемного смятия почвы, МН/м3;

е - толщина наральника стойки, м;

г - отрицательный угол резания стойки;

t • длина лемеха, м;

Ь: - толщина лемеха у лезвия, м;

р - угол постановки лемеха ко дну борозды;

е'- угол затылочной фаски лемеха;

5 - угол затылочной фаски к направлению движения,

5 = arccosícosy sin б );

у - половина угла раствора лемехов ножа;

а'- угол установки рабочей поверхности лемеха к направлению движения, а = arctg|3siny ; b3 - ширина лемеха, м; . рп - плотность почвы, г/см3; g - ускорение свободного падения, м/с*; и - скорость движения рабочего органа, м/с.

Ориентировочно на основании решения, Ляме тяговое сопротивление рыхлящего рабочего органа (см. рис. 5, б)

Р' = РСР + РХР, (17)

где Рср, Р® - тяговое-сопротивление соответственно конической стойки и полуконуса рабочего органа. В развернутом виде

Р>= 0,6аД,к,(тг + 1 /"sina.).+

+ 0,4Вс5Ь^(2ас - tesina ,)sin(a, + <р) / coscp + ^g^ + 0,06aXsinCa, + с?) / coscpsina, , %

где ас - глубина обработки почвы, м;

S„ - толщина лезвия конической стойки или полуконуса, м; ks - напряжение смятия почвы, МПа;

а2 - угол установки рабочей поверхности полуконуса к направлению его движения;

сэ - напряжения, при которых происходит разрушение пахотного слоя, кПа;

Ь'„- ширкна конического ножа, м;

ai - угол установки рабочей поверхчости конического ножа к> направлению движения рабочего органа; 9 - угол трения почвы по материалу рабочего органа.

Исследования рыхлящего рабочего органа показали, что минимальное тяговое сопротивление он будет иметь в том случае, если

форма направляющих (полуконуса и части конической поверхности) будет соответствовать окружности. Исходя из агротехнических требований, ширина захвата рыхлящего рабочего органа (рис. 5, б) будет равна

Ь = ас + 72асЬг + К , (19)

где Ьг - максимально допустимая по агротехническим-требованиям величина неразрушенных гребней, находящихся на дне пахотного слоя, м.

Анализ взаимодействия безотвальных рабочих органов с пахотным слоем, находящимся в различных технологических состояниях, показал, что при обработке пахотного слоя в состоянии С и Б (см. рис. 1) возможно образование в его верхней части фракций или блоков почвы, размеры которых не будут соответствовать агротехническим требованиям. При этом установлено, что целесообразно разрушать блоки одновременно с основной обработкой пахотного слоя дополнительными рабочими органами (рис. 6, а).

Основным параметром дополнительного рабочего органа для крошения неразрушенных блоков почвы (рис. 6, а) является угол постановки рабочей части анкерного рыхлителя к направлению его движения. Величина этого угла определяется по выражению:

ар = ¿п*^, - О / (1 - $ / Г,), (20)

где Гг - коэффициент трения неразрушенных блоков с почвой; 1", - коэффициент трения блока почвы и материала рыхлителя.

а б

Рис. 6: Принципиальные схемы рыхлящего рабочего органа с дополнительными органами: а - для дополнительного крошения и мульчирования пахотного слоя (1 - рыхлящий рабочий орган; 2 - анкерный рыхлитель); б - для выполнения отвальной технологии (I - рыхлящий рабочий орган; 2 - отвальный рабочий орган); аа- глубина обработки почвы дополнительным рабочим органом; ас - глубина обработки почвы рыхлящим рабочим органом

На основе проведенных теоретических исследований процесса обработки почвы и согласно последним достижениям агротехнической науки была принята следующая гипотеза. Крошить пахотный слой на фракции, соответствующие агротехническим требованиям, необходимо безотвальным рабочим органом и одновременно перемещать эти фракции дополнительным рабочим органом, при этом перемещение фракций почвы целесообразно выполнять в верхней части пахотного слоя, толщина которой составляет 0,10...0,15 м.

Такая обработка будет аналогична отвальной обработке почвы, однако на выполнение ее, как показали исследования, будет затрачиваться значительно меньше энергии, чем при отвальной обработке.

Принципиальная схема нового рабочего органа для выполнения отвальной технологии обработки почвы представлена на рис. 6, б. Основные параметры дополнительного рабочего органа или отвала определялись на основании решения дифференциальных уравнений движения материальной частицы по его рабочей поверхности, имеющих следующий вид:

уравнения движения частицы на участке отвала ниже дневной поверхности разрушенного пахотного слоя

!m(dux / dt) = Pr(cosy - fsinysina) - fingcosa

m[doy / dt) = P,sirr/(cosa - fsina) - mgcosa(l + f) ,

уравнения движения частицы на участке отвала выше дневной поверхности разрушенного пахотного слоя ' .

/ dt) = Р,(1 - У / y,)(cosy - fsinysina) - fingcosa; m(duy / dt) = P,(l - У / y,)siny(cosa - fsina) - mgcosa(l + f)'

где у - угол постановки отвала-к направлению его движения; f - коэффициент трения частицы по материалу отвала; a - угол постановки отвала ко дну пахотного слоя; m - масса частицы, кг; <

У, У а - координаты частицы, м.

Движение частицы происходит под действием силы

Pr= ordi, (23)

где ст, - напряжения, действующие на рассматриваемую материальную частицу со стороны разрушенного пахотного слоя, Па,

- 7аас{с1§[(ф - а) / 2] + ctga] sina, (24)

где <1£ - размер материальной частицы, м;

,у„ - удельный вес разрушенного пахотного слоя, кН/м3;

<р - угол трения материальной частицы по материалу отвала;

а - угол установки отвала ко дну пахотного слоя.

На базе новых рабочих органов были разработаны почвообрабатывающие орудия для основной безотвальной и отвальной обработок почвы, которые агрегатировались с тракторами класса 1,4; 3; 4; 5. Теоретические исследования пахотных агрегатов проводились на основе разработанных аналитических выражений. Так, для пахотного агрегата, состоящего из трактора тягового класса 5 и почвообрабатывающего орудия, система уравнений (часть этих уравнений эмпирические), характеризующих работу агрегата, имеет следующий вид:

X = С0 + С, + С2о:

Р„ = . 38,627 + 35,743и - 11,523ог

в, = д.мбр^-о.озтгр^-бм'-

т]я = 0,964 - 0,066и" \ = 0,924 - 0,0157и. (05)

Вс =Рч>(и)л(и) / К0(о)

^ = 0,36Во(о)тс(и)и

ое = щ,

где Ко- удельное сопротивление почвообрабатывающего орудия', кН/м; С0; Сь Сг - коэффициенты, характеризующие почвообрабатывающее орудие, кН/м; кН/м; кН сг/м3; и - скорость движения агрегата, м/с; Ркр - крюковое усилие трактора, кН;

^ часовой расход топлива трактора, кг/ч; т)н - коэффициент использования крюкового усилия трактора; те - коэффициент использования времени смены; В„ - ширина захвата почвообрабатывающего орудия, м;

- часовая производительность пахотного агрегата, га/ч; Оп - погектарный расход топлива, кг/га

Для выполнения поверхностной обработки почвы новым способом (рис. 3) был создан игольчатый рыхлитель, принципиальная - • схема которого представлена на рис. 7, а.

Основные параметры игольчатого рыхлителя определялись на основе кинематических исследований, графоаналитическим методом.

Рис. 7. Схемы: игольчатого рыхлителя (а), движения'иглы (б): 1 - игла; 2 - барабан; 3 - гибкий элемент; 4 - рама

Движение конца иглы (см. рис. 7, б) описывается следующей системой уравнений:

|ХК = Re(q>' - sinq>') - ¿Ksin((i>' 4- аи / 2)

[У; = R6(l - coscp') - ¿Bcos(cp'. + а, / 2) , . (26)

где X», У» - координаты конца иглы, м; Re - радиус барабана, м; ¿„-длина иглы рыхлителя,-м;

а„ - угол установки нижней ветви гибкого элемента к направлению его движения.

Если угол установки нижней ветви гибкого элемента (рис. 7, б) будет а, = 2лНн / R6) то высота гребней, образующихся на дне. naxoTHOiO слоя, определяется по выражению: ^

1 hr = 2Rssin2(a„ / 2), (27)

где Н„ - шг" установки игл на гибком элементе.

Заглубление игл в пахотный слой будет происходить под действием силы тяжести почвообрабатывающего "орудия. В этом случае число'игл, одновременно находящихся в контакте с пахотным слоем, определяется как

hr = 2R6sin!(aH / 2) , (28)

где GH - сила тяжести игольчатого рыхлителя, кН; с1й - диаметр иглы, м. ' ос - напряжение смятия почвы, кПа.

4. Экспериментальные исследования выполнения

технологического процесса обработки пахотного слоя новыми техническими средствами

Изложены программа и методика экспериментальных исследований. "Задачей экспериментальных исследований явилась проверка

эффективности новых способов обработки почвы, а также соответствия принятых и рассчитанных параметров новых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий опытным данным.

С целью проверки выражения (16) экспериментально было определено влияние угла раствора лемехов плоскорежущего рабочего органа на его удельное тяговое сопротивление. Результаты исследований, представленные на рис. 8, показали, что расчетные значения не выходят за пределы доверительного интервала при двухсторонней доверительной вероятности, равной 0,975.

Для подтверждения достоверности принципиальных решений, которые явились основой при создании новых способов обработки почвы, было рассмотрено влияние формы рыхлящего рабочего органа на его тяговое сопротивление. Результаты экспериментальных исследований (рис. 9) показали, что у рыхлящего рабочего органа с углом подъема открылка р — 10° (форма направляющей соответствует окружности) тяговое сопротивление имеет минимальную величину, а отклонение формы направляющей органа от окружности не оказывает значительного влияния на крошение пахотного слоя, что подтверждает результаты теоретических исследований. Также экспериментальными исследованиями были уточнены основные параметры плоскорежущего и рыхлящего рабочих органов.

Рис. 8. Зависимость удельного тя-. гового сопротивления Ку плоскорежущего рабочего органа от угла раствора 2у линейного ножа:

_- экспериментальная;

......... - расчетная

Ки. Н/СЬг

9,0

8,0

ч X \ > >ч'0 .3

1

ьо юо по т то г г

Рдс. 9. Зависимость удельного тягового сопротивления Ку, содержания v фракции почвы размерами до 50 мм в разрушенном пахотном слое от угла подъемар открылка нового рыхлящего рабочего органа

-ад'

- 7,0

• 6,0

/

А / и

в

2)

10

Результаты агротехнической и энергетической оценок выполнения технологического процесса предлагаемыми плоскорезами-глу-

бокорыхлитеяями и сравнительные испытания этих плоскорезов с известными показали преимущество первых, особенно при работе пахотного агрегата на оптимальных скоростях, и подтвердили достоверность системы уравнений (25). Так, теоретически было определено, что ширина захвата плоскорежущего агрегата, состоящего из трактора тягового класса 5 и нового плоскореза-глубокорыхлител* регулируемого захвата, должна составлять 4...5 м, предел регулирования ширины захвата - 1 м. В этом случае обеспечивается выполнение обработки почвы с максимальным эффектом. Полученные при экспериментальных исследованиях результаты с высокой вероятностью подтверждают теоретические.

Исследования выполнения технологического процесса экспериментальным модульным плугом-рыхлителем ПРНС-9-50, у которого рабочие органы расположены по плужной схеме, и сравнительные испытания этого плуга с известными безотвальным« почвообрабатывающими орудиями показали, что плуг ПРНС-9-50 с пятью, семью и девятью рабочими органами по энергетическим показателям превосходит серийные орудия (рис. 10).

Плуг ПРНС-9-50 обеспечивал удовлетворительное качество выполнения технологического процесса. В то же время большинство

К0, , И/см21

5,0 1

I

io]

3,0

10 7,4 1,8 2/2 , 2,6 3,0. ЗА- и, м/с

Рис. 10. Зависимость удельного тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий Kj от скорости агрегата u: 1 - ПГ-3-5; 2 • ПЧ-4.5 + ПСТ-а.5; J - ПЛН-5-35 + СиэИМЭ; 4 - ПРПВ-8-40; 5 - ПРНС-9-50(5); 6 - ПРНС-9-50и); 7 - ПРНС-9-5(Н9)

качественных показателей известных почвообрабатывающих орудии ¡¡с соответствовало агротехническим требованиям. Результаты ис-едедоЕ ннй экспериментальных плугов-рыхлителей явились основой

создания высокоэффективных плугов-рыхлителей серии ПРНС и ПБ (рабочие органы которых непосредственно выполняют второй способ обработки почвы, см. рис.4) для агрегатирования с тракторами тягового класса 1,4; 3; 4; 5. -

Используя результаты исследований дополнительных рабочих органов, к плугу-рыхлителю ПРНС-5 были спроектированы и изготовлены приспособления: П0-50 для выполнения технологического процесса, аналогичного отвальной технологии, и ПР-2,8 для дополнительного рыхления и мульчирования пахотного слоя. Было установлено, что плуг ПРНС-5, как с приспособлениями, так и без них, с удовлетворительным качеством выполняет технологический процесс отвальной и безотвальной обработки почвы. При этом энергоемкость выполнения технологического процесса была значительно ниже, чем у серийного плуга !ПЛН-5-35 (рис. 11).

Исследования выполнения технологического процесса игольчатыми рыхлителями подтвердили высокую эффективность нового способа обработки почвы (см. рис. 3) и достоверность аналитических выражений, разработанных для определения основных параметров этого рыхлителя. Было установлено, что высокое качество выполнения технологического процесса позволяет использовать игольчатые рыхлители для подготовки почвы под посев озимых культур. - "

Kg, И/,СИ2

Рис. 11. ' Зависимость удельного jq тягового сопротивления Ко поч- ' вообрабатывающего орудия от скорости агрегата о: 1 - ПРНС-5; 2 - ПРНС-5 + ПР-2,8; 3 - . '

ПРНС-5 + П0-50; 4 - ПЛН-5-35

• . 1.0

17 1,9 2,1 . 2,2 2,5 tf.u/c

5. Исследования эффективности применения н результаты онедреппа предлагаемых почвообрабатывающих орудий

Приводится программа и методика исследований. Исследование н испытания пахотных агрегатов проводились на машиноиспытательных станциях, в основном на Поволжской МИС. В результате эксплуатационно-технологической оценки плоскорежущих агрегатов было установлено, что при работе трг.ктора К-701 на оптимальной передаче со скоростью 2,55; 2,50; 2,47 м/с часовая производительность агрегата (К-701 с экспериментальным плоскорезом-глубоко-рыхлителем регулируемого захвата), соответствующая ширине за-

хвата 4,1; 4,5; 4,9 м, при загрузке двигателя на 75,3; 88,4; 90,1 % составляла 3,82; 4,05; 4,36 га/ч. Погектарный расход топлива был 11,9; 12,1; 11,7 кг/га. Качество обработки почвы соответствовало агротехническим требованиям.

Часовая производительность агрегата (К-701 с серийным КПГ-2-150) при работе трактора на оптимальной передач» со скоростью 2,67 м/с при ширине захвата 3,1 м составила 2,98 га/ч. погектарный расход топлива - 15,6 кг/га, загрузка двигателя трактора -74,6 %.

В период с 1988 по 1997 г. на Поволжской МИС были проведены испытания новых плугов: ПРНС-9-55, ПРНС-9-50, ПРНС-7-50, ПРНС-5 с приспособлениями П0-50 и ПР-2,8, ПГ-2, ПБ-1, ПБ-5, ПБ-9; игольчатого рыхлителя ИПР-1,6; новых: рабочего органа к культиваторам КПС-4 и КШУ-12, сошника к стерневым сеялкам СРП-6 и СЗС-6/12., плужного лемеха. Плуги-рыхлители ПРНС-9-50, ПРНС-7-50, ПБ-1, ПБ-5, ПБ-9, новый лемех прошли приемочные государственные испытания и были рекомендованы к производству.

В частности, при государственных приемочных испытаниях плуга-рыхлителя ПРНС-7-50 были получены следующие результаты (см. табл. 1).

Эксплуатационные испытания плуга-рыхлителя ПРНС-5, ПРНС-5 + ПР-2,8, ПРНС-5 +• П0-50 позволили выявить, что сменная производительность ПРНС-5 выше, чем у серийного плуга ПЛН-5-35, соответственно на 66,0; 46,9; 26,94 %. При этом удельный расход топлива на 1 га по новому агрегату получен на 41,4-25,8 % ниже, чем по серийному.

Производительность агрегата, состоящего из трактора Т-150К и игольчатого рыхлителя ИПР-1,6, с шириной захвата 1,6 м, при глубине обработки почвы 0,081...0,13 м и скорости движения 2,08...2,75 м/с составляла 1,20... 1,58 га/ч, удельный расход топлива 11,5...12,9 га/ч. Коэффициент использования- мощности двигателя находился в пределах 28-49 %.

Также было установлено, что игольчатые рыхлители являются более эффективными почвообрабатывающими орудиями, чем серийные АКП-2,5 и АКП-2,7. '

Экономические расчеты эффективности предлагаемых почвообрабатывающих орудий были проведены Поволжской МИС и представлены в протоколах испытаний. Результаты расчетов отражены б общих выводах.

За период С 1982 по 1986 гг. плоскорезами-глубокорыхлителя-ми, выполняющими новый способ обработки почвы з хозяйствах Саратовской. облаети, было обработано 132567 га пашни. Начиная с 1987 г., опытные плуги-рыхлители, приспособления к ним, новые ра-

бочие органы широко используются для обработки почвы в хозяйст-вахСаратовскон и других областей.

Таблица 1

Основные результаты государственных приемочных испытаний плуга-рыхлителя ПРНС-7-50

Показатель Опытный Базовый

вариант вариант

Агрегат: , К-701 + ПРНС-7-50 К-701 + ЩРУ-4 0

ширина захвата, м . - 4,31 4,1

глубина обработки, м 0,30 0,301

скорость движения, м/с 2,64 2,07

Производительность, га

за 1 ч времени:

основного 4,1 3,06

сменного 3,12 2,30

Удельный расход топли- 11,79 15,16

ва, кг/га

Коэффициент надежности 1,0 1,0

технологического про- <

цесса

На основании заключений по результатам испытаний Поволжской МИ С и протокола № 49 выездного заседания Минсельхозпрода РСФСР в 1992 г. было организовано изготовление высокоэффективных плугов-рыхлителей ПРНС-7, ПРНС-5, ПРНС-2 для агрегатирования с тракторами тягового класса 5, 3, 1,4 непосредственно в Саратовской области на Третьем подшипниковом заводе и ПКП "Лигатура". На этих предприятиях был также основан выпуск приспособлений к плугам серии ПРНС и новых рабочих органов к серийным почвообрабатывающие орудиям. За период с 1992 по 1996 г. на этих предприятиях было изготовлено и реализовано 1718 шт. плугов-рыхлителей, 47992 шт. новых рабочих органов к серийным культиваторам для сплошной обработки почвы.

■ На производственных площадях учреждения УШ-3 82/33 УИН УВД (г. Саратов) согласно ТЗ Саратовского министерства сельского хозяйства в 1997 г. было организовано производство высокоэффективных плугов-рыхлителей ПБ-5 и ПБ-9 для агрегатирования с трак-

торами тягового класса 3, 4, 5, которые выполняли второй способ обработки почвы (см. рис. 4, б), и новых плужных лемехов. С июля по сентябрь 1997 г. было изготовлено и реализовано в хозяйства Саратовской и Пензенской областей 25 шт. ПБ-5, 4 шт. П5-9 ы 10583 шт. лемехов. В конце 1997 г. ОАО «Саратовский крановый завод» и ОАО (<Завод Белпнсксельмаш» (Пензенская обл., г. Каменка) приступили к изготовлению плугов-рыхлителей серии ПБ. В первом квартале 1998 г. ОАО «Саратовский крановый завод» было изготовлено 60 шт. плугов ПБ-5 и 5 шт. плугов ПБ-3. ОАО «Завод Беликскель-маш» было изготовлено 35 шт. плугов ПБ-5 и 74 шт. плугов ПБ-9.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Механико-технологические свойства пахотного слоа непосредственно зависят от состояния внешней среды и изменяются в широких пределах от влажности почвы. Уменьшение впзкностн пахотного слоя до 10...13% приводит к возникновению в верхней его части напряжений растяжении, действие которых сопровождается растрескиванием пахотного слоя, появлением з нем щелей, проникающих вглубь слоя'на 0,15...0,5 м, и шириной 0,015...0,03 м, а на дневной его поверхности - .сети трещин, ячен которой имеют форму шестиугольника и реже четырехугольника. Пахотный слой может находиться в нескольких основных технологических состояниях, одно из которчх соответствует влажности физически спелой почвы, другое - ¡минимальной влажности и появлению в ней трещин, причем твердость почвы изменяется от 3 до 6 МПа, а прочность верхней части пахотного '¿доя в ряде случаев становится выше, чем ни-кней.

2. В результате объединения теорий резания и дробления материала на бале основных теоретических положений механики разрушения-было установлено:

а) крошение поверхностного слоя пахотного горизонта можно акнолнять двумя способами: отделением частиц требуемого размера или отделением определенного обьемэ с последующим крошением его на отдельные части за ..чет его различных деформаций;

б) шергосмкость крошения по первому способу определяется размерами контура, по которому проходит отделение частиц от поверхностного сдоя, по второму способу - также размерами контура и зелашшой квадрата разности глазных напряжений {(ai - = cr^'i, возникающих при деформации отделенного объема почвы. При этом

' дробность разрушении отделенного объема материала пропорцао-

нальна энергии, подводимой к этому объему, величина которой оп-редсляется квадратом разрушающего напряжения (П, — <У_ / См ).

3. Принципиальные решения снижения энергоемкости и улучшения качества обработки пахотного слоя, полученные из анализа результатов исследований способов выполнения крошения поверхностного слоя почвы, заключаются:

в в максимальном уменьшении размеров контура, по которому происходит отделение объема почвы от пахотного слоя;

• в создании в отделяемом объеме почвы напряжений для реализации чистого сдвига или двухосного равномерного сжатия. в плоскости, перпендикулярной направлению отделения объема почвы от пахотного слоя (при реализации чистого сдвига разрушение почвы будет происходить при давлениях в два раза меньших предельного напряжения разрушения);

® в обеспечении высокой скорости (до б м/с) деформации отделенного объема почвы от пахотного слоя.

4. Предлагаемые способы обработки пахотного слоя реализуются на базе решения Ляме и основаны на принципе взаимодействия:

« вершины половины конуса с пахотным слоем, осевая линия которого совпадает с направлением его движения;

« половины конической поверхности, торец которой отделяет объем почвы от пахотного слоя, а поверхность производит деформацию отделенного объема;

• игл с дневной поверхностью пахотного слоя в вертикальном направлении с последующим их поборотом (при вертикальном перемещении иглы в пахотном слое ее ось должна совпадать с направлением движения иглы).

5. На основе новых способов разработаны новые рабочие органы для выполнения безотвальной, отвальной и поверхностной технологий обработки почвы. Плоскорежущий рабочий орган состоит из двух вертикальных стоек и ножа, находящегося между стойками. Рыхлящий рабочий орган представляет собой часть конической поверхности или несколько соединенных частей конических поверхностей. Игольчатый рыхлитель - это гибкий замкнутый элемент, внутри которого находятся два барабана, растягивающие этот элемент, а на наружной поверхности жестко закреплено определенное количество игл. К рыхлящему рабочему органу разработаны дополнительные рабочие органы для выполнения отвальной технологии обработки пахотного слоя н дополнительного его крошения. Новизна предложенных рабочих органов подтверждена авторскими свидетельствами, патентом и полезной моделью.

6. Разработаны аналитические зависимости, позволяющие выбрать основные оптимальные парам-гтры новых рабочих органов вообрабатывающих орудий и проанализировать процесс взаимодействия их с пахотным слоем, а также метод определения оптимальной ширины захьата почвообрабатывающих орудий, который дает возможность установить целесообразность применения в почвообрабатывающих орудиях устройств для плавного или ступенчатого регулирования ширины их захвата. Для тракторов тягового класса 5 ширина захвата безотвального почвообрабатывающего орудия должна составлять 3...6 м, при этом минимальный расход топлива и максимальная производительность будет при скорости агрегата 2,2...2,4 м/с. Ширина захвата игольчатого рыхлителя для тракторов тягового класса 3-4 составляет 4-м.

7. Экспериментальными исследованиями новых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий подтверждена достоверность разработанных теорий новых способов ii основных параметров рабочих органов. Установлено, что применение новых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий обеспечивает обработку пахотного слоя, находящегося в различных технологических состояниях, с качеством, соответствующим агротехническим требованиям, и уменьшает на 6-40 % энергоемкость обработки по сравнению с известными почвообрабатывающими орудиями. Использование в плугах-рыхлителях теоретически обоснованных приспособлений для дополнительного крошения пахотного слоя и выполнения технологии отвальной обработки почвы позволяет значительно расширить технологические возможности плуга-рыхлителя, повысить качество и снизить энергоемкость технологического процесса обработки почвы.

5. Эксплуатационно-технологическими испытаниями почвообрабатывающих орудий было установлено, что использование предлагаемых почвообрабатывающих орудий повышает на 26-66 % производительность выполнения основной обработки почвы с одновременной экономней 22-41 % топлива на 1 га пашни. Расчетами было установлено, что при основной обработке почвы новыми почвообрабатывающими орудиями эксплуатационные, затраты снижаются на 19-40 %, что подтверждает высокую эффективность новых способов обработки почвы. .

За период с 1992 по 1996 гг. акционерным обществом "Лигатура" (г. Саратов) и акционерным обществом "Саратовский подшипниковый завод" было изготовлено и реализовано 1718 шт. плугов-рыхлителей серии ПРНС в 7-, 5-, 2-корпусном исполнении, а " также 47992 жт. новых рабочих органа к серийным культиваторам ■ для сплошной обработки почвы.

В 1997г. на производственных площадях учреждения УШ-382/33 УИН УВД (г. Саратов) было изготовлено и реализовано 29 шт. плугов-рыхлителей серии ПБ в 5-, 5-корпусном исполнении и 10538 шт. новых плужных лемехов. ОАО «Саратозский крановый завод» и ОАО «Завод Белинсксельмаш» в начале 1998 г. изготовили 5 дгг. (ПБ-З), 95 шт. (ПБ-5) и 74 шт. (ПБ-9).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

I. Бойков В. М., Юдкин В.В., Барсв Е.А., Плешков E.H.. Усовершенствованный ллоскорез-глубокорыхлитель // Степные просторы..-1978.-№ 8. - С. 12-132. Бойков В. М., Юдкин В.В., Плешков E.H. Культаватор-плоскорез-

глубокорыхлитель с новыми рабочими органами / Саратовский ЦНТИ № 1.26079. - Саратов, 1978. - 4 с.

3.Ъойков В. М., Юдкин В.В., Плешков E.H. Широкозахватный плос-корез-глубокорыхлитель // Степные просторы. - 1979. - № 9. - С. 15-16.

4. ъойков В.М., Юдкин В.В., Плешков E.H. Плоскорез- глубокоркгх-литгль с новыми рабочими органами к трактору класса тяги 40-5Q кН // Тр. Сарат. с-х. ин-та. - Саратов, 1979. - Вып. 132. - С. 5457.

5. Бойков В. М., Юдкин В.В., Плешков E.H.. Широкозахватный плоскорез-глубоксрьгх.титель к трактору класса тяги 40-50 кН / Саратозский ЦНТИ № 423-79. - Саратов, 1979. - 4 с.

6. Бойков В. М-, Юдкин В. В- Тяговое сопротивление ллоскооезов-птубокорыхлителей и некоторые пути его снижения // Тр. Сарат. с.-х. ин-та. - Саратов, 1980. - Вып: 112. - С. 32-36.

7. Бойкоз В. М-, Юдкин В.В., Плешков E.H. Плоскорез- глубохорих-. лнтель с новыми рабочими органами // Техника в сельском хозяйстве. - 1981. - Jfa 1. - С. 12-19.

8. Бойков В. М., Юдкин В. В. Тяговое сопротивление нового рабочего органа плсскореза-глубокорыхлителя // Вопросы эксплуатации МТП; Сб. науч. работ. / Сарат. с.-х. ин-т. - Саратов, 1981. -С. 51-67.

9. В. М. Бойков,В. В. Юдкин. Широкозахватный плоскорез- глубо-ксрыхлитель с новыми рабочими органами / Проспехт ВДНХ СССР.-Саратов, 1982.

10.Бойков В. М., Юдкин В. В. Модернизация широкозахватного готоскореза-глубокорыхлителя КПГ-4,8 к трактору К-701 / Саратовский ЦНТИ № 34-82. - Саратов, 1 >82.-- 4 с.

II.Бойков 3. М., Юдкин В. В. Плоскорез-глубокорыхлиТель с регулируемой шириной захвата // Техника в сельское хозяйстве. -

1.983. -№ 4. - 62 с.

12. Бойков В. M., Юдкин В. В. Плоскорез-глубокорыхлитель с регулируемой шириной захвата // Техника в сельском хозяйстве. -1983. 12. - С. 54-56.

13. Бойков В. М., Юдкин В. В. Тяговое сопротивление плоскореза-глубокорыхлителя // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1984. - № 5. -'С. 15-17.

14. Бойков В. М., Юдкин В. В. Широкозахватный плоскорез-глубоко-рыхлитель ПГ-4-5 / Саратовский ЦНТИ № 511-85. - Саратов, 1985.- 4 с.

15. Бойков В. М. Определение оптимальной ширины захвата и пределов регулирования плоскореза-глубокорыхлителя И Эксплуатация машин в полеводстее: Сб. науч. работ. / Сарат. с-х. ин-т. - Саратов, 1985.- С. 34-37.

16. Бойков В.М., Юдкин В.В., Катрич А.И.. Плоскорез- глубокорых-литель с регулируемой шириной захвата / Саратовский ЦНТИ

№ 5-86. - Саратов, 1986. - 4 с.

17. Бойков В. М. Повышение эффективности процесса обработки почвы плоскорезом-глубокорыхлителем с регулируемой шириной захвата // Автореф. дис. ... какд. техн. наук,- Саратов, 1987.- 20 с.

18. Бойков В.М., Аникин A.A., Елютин С.Б., Паравин В.Я. Саратовский чизель // Степные просторы. - 1987. - № 4. - С. 41.

19. Бойков В. М:, Юдкин В.В., Катрич А.И. Плоскорез-глубокорыхлитель с регулируемой шириной захвата // Степные просторы. - 1987. - № 8". - С. 45-46.

20. Бойков В. М., Аникин A.A., Елютин С.Б., Паравин В.Я . Новое орудие для основной обработки почвы / Саратовский ЦНТИ •

№ 164-88. - Саратов, 19S8. - 2 с.

21. Бойков В. М., Аникии A.A., Елютин С.Б., Паравин В.Я. Использован: . щелевателей при п эизводствс орошаемых многолетних траи / Саратовский ЦНТИ № 307-S9. - Саратов, 1988. - 2 с.

22. Бойков В. М., Павлов A.B., Изаков 1С 3. Плуг ПРНС-7 на обработке паров // Степные просторы. - 1994. - № 2. - С. 20-21.

23-Бойков В. M., Павлов A.B., Иванов Ю.В. Новые плуги-р:.штели Il Степные просторы. - 1994. - № 6. - С. 22-23.

24. Бойков В. М., Павлов A.B., Толпегин A.B. Плуг-рыхлитель ПРНС-5 // Степные просторы. - 1994. - № 7. - С. 19.

25.Бойков 3. М., Павлов A.B., Толпегин A.B. Плуг-рыхлитель ПРНС-5 / Саратовский ЦНТИ № 73-94. - Саратов, 1994. - 3 с.

26.Бойков В. М-, Павлов А. В. Плуг-рыхлитель ПРНС-5 с новым рабочим органом /Саратовский ЦНТИ № 124-94.-Саратов, 1994.-4 с.

• 27.Бойков В. М., Павлов А. В. Энергосберегающий способ обработки почвы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1995.-tf» 4. - С. 14-15.

l

28. Бойков В. M., Каряган A.B., Павлов A.B. Лемех из высококачественного чугуна /Саратовский ННТИ Кг 136-95. - Саратов, 1995. - 2 с.

29.Бойков В. М., Павлов А. 3. Энергосберегающий способ основной обработки почвы // Техника в сельском хозяйстве. - 1996. - Ks 4. -С. 21-23.

30. Бойков В. М.,Карягик В.А., Павлов A.B., Каряган A.B. Рабочий орган к культиватору /Саратовский ЦНТИ № 51-97. - Саратов, 1997. - 2 с.

31. Бойков В. М., Карягин В.А., Павлов A.B., Македон В.М. Способ изготовления стального лемеха / Саратовский ЦНТИ № 52-97. - Саратов, 1997.- 2 с.

32. Бойков В. М., Павлов А. В., Иванов Ю. В., Толпегин А. В. Комбинированный плуг-рыхлитель // Улучшение эксплуатации машинно-тракторного парка: Сб. науч. работ. - Саратов: Изд-во Са-рат. с.-х. акад., 1997. - с. 76-79.

33.Бойков В. М., Старцев С- В-, Павлов А. В., Иванов Ю. В. Плуг для безотвальной обработки почвы // Улучшение эксплуатации машинно-тракторного парка; Сб. науч. работ. - Саратов: Изд-во Сарат. с.-х. акад., 1997. - с. 71-75.

34.Бойков В. М., Старцев С. В., Беднов А. Н. Приспособление для удаления сорняков и корнев: х остатков / Саратовский ЦНТИ № 191-97. - Саратов, 1997.- 2 с.

35. Бойков В. М., Стариев С. В., Беднов А. Н. Плуг-рыхлитель для безотвальной обработки почвы / Саратовский ЦНТИ № 196-97. -

. Саратов, 1997. -2 с.-

36.Бойков В. М., Старцев С. В., Беднов А. Н. Безотвальный плуг-рыхлитель ПБ-9 / Саратовский ЦНТИ Кг 192-97. - Саратов, 1997. -2 с. .

37.Бойков В.М., Старцев C.B., Беднов А.Н. Плужный лемех/ Саратовский ЦНТИ К» 7-98,- Саратов, 1997.- 2 с.

38.Бойков В.М., Старцев C.B., Беднов А.Н. Высокопрочный лемех/ Саратовский ЦНТИ Ks 40-98,- Саратов, 199S.- 3 с.

39.Бойков В.М. Новые способы и технические средства основной обработки почвы.- Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, '1998,- 56 с.

~0.Кг 698566 СССР, А 01 В 35/22. Культиватор-плоскорез / В. М. Бойков, В. В. Юдкия. - № 2641 187/30-15. - Заявл. 10.07.78. - Опубл. 25.11.79. -Бюл. № 43.

41.Кг 1014485 СССР, А 01 В 59/04. Широкозахватное сельскохозяйственное орудие / В. М. Бойков, В. В. Юдкнн, Р. Б. Иорданский, В.Э. Болиндер, Г.П. Кузьмин - № 3217983/30-15.- Заявл. 12.11.80,-Опубл. 30.04.83,- Бюл. Кг 16.

42.№ 1029840 СССР, А 01 В 35/22. Плоскорежущий рабочий орган для обработки почвы / В. М. Бойков, В. В. Юдкнн, А. К. Беднов, Ю.П. Попов, Г.В. Чернкшкин и др. (всего 6 чел.) - Ks 3410386/3015.- Заявл. 23.03.S2.-Опубл. 23-07.83,- Бюл. Кг27.

43.№ 121233S СССР. A 01 В 35/22. Рабочий орган плоскореза / В. М. Бойков, В. 3. Юдкин, В.А. Шевченко, Г. П. Кузьмин, Р.Б. Иорданский и др. (всего 8 чел.) - № 3663153/30-15. - Заявл. 16.11.33. - Опубл. 23.02.86. - Бюл. № 7.

44.№ 143689S СССР, А 01 В 35/20. Рабочий орган почвооэяаоаты-ваюшего орудия / В. М. Бойков, А. А. Аникин, В. В. Юдкин, С-Б. Елютин, В.Я. Паравин и др. (всего 9 чел.) - № 4134093/30-1-5.- За-явл. 14.07.87,- Опубл. 15.11.88.- Бюл. № 42.

45. № 1454268 СССР, А 01 В 15/14. Почвообрабатывающее орудие / В. М. Бойков, В. В. Юдкин, А.С. Жилко, А.И. Катрич, Н. И. Че-бан и др. (всего 7 чел.) - № 4040696/30-15. - Заявл. 10.01.86. -Опубл. 30.01.89. - Бюл. № 4.

46.№ 1524820 СССР, А 01 В 33/02. Почвообрабатывающее орудие / В. М. Бойков, А.А. Аникин, С.Б. Елютин, O.K. Юриков, В;Я. Паравин и др. (всего 7 чел.) - № 4393337/30-15. - Заявл. 17.03.88. -Опубл. 30.11.89. - Бюл. № 44.

47.№ 1524823 СССР, А 01 В 54/04, Широкозахватное почвообрабатывающее орудие / В. М. Бойков, В. В. Юдкин, Г.П. Кузьмин,

8. Э. Болиндер, Р.Б. Иорданский и др.(всего 6 чел.) -№4119198/30-15.- Заявл. 30.06.96,- Опубл. ЗОЛ 1.89.-Бюл. №44.

48.№ 1819499 СССР, А 01 В 79/02. Способ обработки почвы / В. М. Бойков, А. А. Аникин, А. Г. Рыбалко, С.Б. Елютин, Л.М. Куцин и др. (всего 9 чел.) - № 4S12949/15. - Заявл. 12.04.90. - Опубл. 07.06.93.

- Бюл. № 21.

49.Пат. РФ hi 20259!6,С1, 6 А 01 В 35/26, 35/20. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия / В. М. Бойков, А. А. Аникин, А. Т.¿Рыбалко, А.Е. Глинский, И.А. Яшкин и др (всего 8 чел.) - № 93005854/15. - Заявл. 03.02.93. - Опубл. 10.01.95. - Бюл. № 1.

50. Свидетельсп о на полезную моде: РФ. К« 987 1 6 А 01 В 35/20 14/40. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия / В. М..Бойков,

A. А. Аникин, А. Г. Рыбалко,- А.В. Павлов, А.Е. Глинский -Опубл. 16.11.95.-Бюл. № П.

51. Разработка и исследование плоскореза-глубокорыхлителя к трактору К-700 для улучшения' солонцеватых почв: Отчет о НИР / В. М. Бойков, В'. В. Юдкин, Е. Н. Плешков. - № ГР 79032752. - Инв. № Б760950. - Саратов, 1978. - 29 с,

52. Внедрение плоскорезов-глубокорыхлителей с новыми рабочими органами для повышения производительности и улучшения качества обработхи почвы: Отчет о НИР / В. М. Бойков, В. В. Юдкин. -№ ГР 78055863: - Инв. № 2800007709. - Саратов, 1980. - 22 с.

53.Экспериментальная проверка устройства по изобретению «Культиватор-плоскорез» (А.с. .N« 69S566): Отчет о НИР / В. М. Бойкое,

B. В. Юдкия, Е. Н. Плешков.- № ГР 01816004438.- Инв. № 0283007904.

- Caf-тов, 198Ь -32 с.

54.Применение редкоземельных металлов для производства бысоко-

. качественных сплавов с целью повышения надежности и долго- • вечности машин и оборудования, применяемых в отраслях народного хозяйства, в 1,5-2 раза: Отчет о'НИР / В. М. Бойков, А.А.Аникин, С.Б.Елютин, В. А. Карягнн, В.Я. Паравин и др. (всего 9 чел.) - № ГР 01860015070. - Инв. № 0288034164. - Саратов, 1987.- 65 с.

55. Исследование-РЗМ с целью их рационального использования в отраслях народного хозяйстза и создание высококачественных сплавов со служебными свойствами, превышающими существующие в 1,5-2 раза: Отчет о НИР / В. М. Бойков, А. А. Аникин, С. Б. Елютин, В.А. Карягин, В.Я. Паравин и др. (всего 10 чел.) -№ ГР 1066450. - Инв. № 0040791. - Саратов, 1988. - 22 с.

¿) /' s* // Q м

С 'q( ' i-- Л ',J „s

i 5

Í s

) i V i

A. • P 3

f ' i' 1 ■■'■■: : /■/:•■

i i

-

F-

•■í

! !

! ! Í

' i

; í

i l

o

; !

! !

. i

j ]

!

.i:.iJ.......J

/

/

V

Саратовский государственный аграрный университет

им. Н.И.Вавилова

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальность: 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

БОИКОВ Василий Михайлович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор АНИКИН А.А.

Саратов - 1998

О ГЛАВ Л Е Н И Е

Введение ....................................................................л,....».............. 6

1. Состояние проблемы, ц^яь и задачи исследований ............... 9

1.1. Агротехнические требования, предъявляемые к

. почвообрабатывающим, орудиям, предназначенным . для основной обработки почвы ....................................... 9

1.2, Результаты

орудий на основной вбра§отке почвы и их анализ ......... 13

1 Л.1,,шуг.гглу^.кдрнхдитель чизельный 114.-4,5.

общего назначения ........................

1.2.2» Цриспрсобленже ПСТ-435 для дополнительной

обработки почвы к чизельному плугу ПЧ-4,5 ........ 1.6

1.2'.3;-Плуг-рыхйитель ИРПВ-В-5Р.с изменяемой

шириной захвата............................................1,7

1.2.4. Плуг-рыхлитель ПРПВ-4-50 ..................................................19

1.2.5. Опытный■ глубЬкорйхлител-ь универсальный ГУ-4,4 21

1.2.6. Агрегат комбинированный почвообрабатывающий АКП-2,5. ............................................ 15

1.2.7. Агрегат комбинированный почвообрабатывающий АКП-2,7.............................................. 25

1.2.8. Агрегат комбинированный АКР-3,6 с активными рабочими органами ............................................... 26

1.2.9. Анализ результатов применения почвообрабатывающих орудий ....................................................

1.3. Анализ теорий и исследований взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым материалом..........

1.4, Анализ теорий и экспериментальных исследований процесса дробления материалов ...................................

26 31

46

61

2. Механико-технологическое обоснование эффективных способов основной обработки почвы...................................

2.1. Исследование механико-технологических свойств и состояний пахотного слоя ..............................................

2.1.1. Физико-механические свойства пахотного слоя ... 61

2.1.2. Система "внешняя среда - пахотный слой" ........... 64

2.1.3. Анализ системы "внешняя среда - пахотный слои .....................................................................

2.1.3.1. Растрескивание пахотного слоя ......................................77

:2&. 1Ге©ретинес'Кие/от©»ю:кр^жш11*я поверхностного слом

•» а а е>>««1^.л ».#1*1*. » ► а- »• л..;».»,-«•■©-•.в *<ег-в • •»-«■•■••• • • • »<• » е. » • <* » о а в

85

,2.2.1. ."Крошениешоверзршсзжого слоя, материала по

первому. способу «.................................................

2. Крошение--но®ержшоетного слоя материала по

второму .....................................—..........'87

2:23.. Анализ -сноео'бевжсршиевия поверхностного слоя

2...3.-.'¡.Обоснование пеших.-.способов обработки пахотного

• в, с • '»'«9 • в' в о-в. » .а с- •«. в. с- ♦•«..»»«• е » о »••• о*»»* »»»а»»»»»»»'»»* » » •*

96

103

2.3.1. -Принципиальные .решения «снижения энергоемкости обработки пахотного слоя ...................................Ю'б

2.3.2. Принципиальные схемы вьшоляфния новых способов обработки пахотного слоя .....................-ИЗ

3. Механико-технологическое о.боскешшгае ножах, технических средств для выполнения основной-обработки почвы ..... 127

3.1. Новые рабочие органы для безотвальной технологии

обработки почвы ................................................................1-28

3.1 Л. Обоснование формы рабочих органов.....................128

3.1.Л.Ь Плоскорежущий дебэчяЁ орган ..........._____........ 128

3.1.1.2. Рыхлящий. орган......................................................................132

3.1.1.3. Рыхлитель для дополнительного крошения

пахотного слой

139

3.1.2. Определение основных параметров новых

рабочих органов .................................................... 143

3.1.2.1. Плоскорежущий рабочий орган......................... 143

3.1.2.2. Рыхлящий рабочий орган................................... 149

3.1.2.3. Рыхлитель для дополнительного крошения

пахотного слоя

154

3.2. Рабочий орган для выполнения отвальной технологии обработки почвы............................................................

3.2Л, Взаимодействие дополнительного рабочего

органа с разрушенным пахотным слоем...........................158

3.3. Определение ширины захвата почвообрабатывающих орудий для безотвальной и отвальной технологий обработки почвы .....................................о,,....»...,............. 177

3.4. Новый игольчатый рыхлитель для поверхностной технологии обработки пахотного слоя ................

1ьные-схем.ы игольчатых -рыхян-тейвй -1 % 3

■;к4;2,',£)прбделение^^

рыхлителя --------------.............................. - 186

» * «•• * »„fc" » * » S> * * »■*■ « » *•« 5- о * а « «• Ч:-» '« * ifci tt *i ».«,-4.» в о- * в •• • «|

.4. .Э^ев^Ементальиые-мсйй'ШОЕаммя. технологичеежого про» - цесеа обработки пахотного* елояшовыми техничеекшш

■ 197

средствами .........

4Л, Программа иссяне?д^ваш$й ....................Л 97

■ 4/li :0€ъ®кт исследавфкйг^..^..—............ 197'

4.3. Экс:оериментжл-таые;Л«ехничееКие р-р.еде1-в.:£ ..............1198

.-/43Л. Экспериментальный--пдЬскорежудай-рабочий

• s • » • ♦.•,«,»..5 i,.».e«,i.f а.а i.,» ».»•«>.« г • • .а .,£■. v а • а.а е •■•■■v ... v»'^" «ел 1 ^ ^

4.3.2. Экспериментальные:шю-скорегыгглубокорыхдгй-

тс л и •• a.a eh в аса а,в » • с « « о «,л * *-ч. в 4 ¿* а • •-•'•*• • a. a С • * v г-* (. fy " 0

•:4'.3'i3. ЭксперименталмгЫ^рахйящие'^аба^ий'органы.,2202

..4.3.4. Экспериментажшшеплуги-рыхйит^.тн_______,...„..______

.- 4..3v5.' Эксперимент?а^ыго.е.-вриевос66ление для. донов-нительного крошения пахотного слоя к плугу-рыхлителю' ШШС -5..,,,.. .............................,,,,,,.... Ю

4.3 .6. Экспермме:нт5ШЬЬ2?.<?-е- присяю&£5зсни г к ппугу-•£ыхлителюШВДС?>5. для. ¡отзальгой технологии

, обработк-И'Идазш.,................_______...._______А~

- 43-7.':Эксп$рймедт.ад1шь1е игольчатые, рыхлители .......... 215

4.4.-Методика-.исследований ..............................................................22.2

'4.4.1. Методика-'^мбораторных. ксследований.................................222

4.4.2. Методика^айоррторно-ио.тевых исследований 224

4.5. Результаты,и аналйз лабораторных и лабораторно-по-левых исследований выполнения технологического процесса обработки пахотного слоя новыми техничес- л кими средствами .............................................................. ^ "

4.5.1. Результаты к анализ лабораторных исследований 226

4.5.2. Результаты.и анализ лабораторно-полевых

исследовании

229

4.5,2.1. Энергетические показатели выполнения

технологического процесса плоскорежущими рабочими-Органами.............................................' 229

.4;5.2.2..Качественные.и-энергетические псжазатетш выполнения-т.ехнологине.ского процесса плрскорезами-тдубокорыхлителями ......»........... ^34

1-15^23, Энер^етнчеет^и ;каче®егаенкые-псйазатеди вьшолнениаетш-ножшгаеского. продажа, рыхля-щимшра^очими-ортнами •..-........

» о а » С; »•«*»»? • ь с ,

4.5.2.4. Исследование.'выполнения технологического•

нроцесса<.обра*>отки пахотного слоя -плугами- 240

рыхлителями:......................................................

4; 5:2:5. Исследование технологического процесса-

взаимодействия дополнительного рабочего 246 органа с - разрушеннымцпахотным слоем.............

4^5;2;6. Исследование выполнения технологического» процесса»обработки почвы плугом-рыхлителем. ПЙН^5:».ш;омпле.ктованным приспособлениями- 0А0 ПО-50 и ПР-2,8 ................................................ ^

4.5.2:7. Исследование выполнения технологического

процесса обработки почвы игольчатыми 255 рыхлителями ...............................................

5. Исследование эффективности применения и результаты внедрения предлагаемых почвообрабатывающих орудий .....

5.1 Исследование эффективности применения предлагаемых почвообрабатывающих орудий.......................—... 2.60

5 Л Л. Программа исследований.................................260

51.2- ,Методика исследований........................................ 260

5 .1.3. Результаты- и.; анализ эксплуатационно-технологических показателей работы почвообрабатывающих агрегах-О!» .............................................260

5.1.3.1. Плоскорежущие агрегаты..........................26.0

5.1.3.2. Рыхлящие агрегаты............................................ 262

5.1.3.2.1. Экспериментальный плуг-рыхлитель ПРНС9 50 262

5.1.3.2.2. Модернизированные плуги-рыхлители........... 264

5.1.3.3. Плуг-рыхлитель ПРНС-5 с приспособлениями П0-50, ПР-2,8 ..................................................... 269

5.1.3.4. Игольчатый рыхлитель ИПР-1,6 ........................ 272

5.2. Экономическая эффективность применения предлагаемых почвообрабатывающих орудий...................... ........ 273

5.3. Результаты внедрения предлагаемых и создания перспективных почвообрабатывающих орудий .............. 275

6. Общие выводы................................................................. 298

Литература.................................................................................. 303

Приложения ................................................................... ..............318

ВВЕДЕНИЕ

Как у нас в. страже,, так и за рубежом, технойо^ичес-кий; процесс, основной обработки еючбы традкционно .въш&аш&еяся лемешно*-от~ вальными плушмш,. я& в» посае-джиа -гады для этих, целей «тали широко применять. 5ез©.т.вадьн»е и очв о о брабатыв аю щ и<з орудия и различные к ом б и нироважные л очв-ообра 6атъ1в:аю;щ ие -агрегаты-,.

Давно -изжесшш!,, шрш ироишодстше ©ел.ь с к о х о ж-йств/ен ной продукции основная обработка »ша -является самой энергоемкой операцией, при этом качество ее часто не соответствует требованиям агротехники, что -прй&одит .к. значетелън-ому снижению урожай®© еш сельскохозяйственных культур.

Очевидно, что снижение -энергоемкости и улучшение ка^еШв'а основной обработки почвы являются важной народнохозяйствейНОЙ проблемой.

В общем случае, обработка почвы подразумевает воздействие поверхности рабочего органа почвообрабатывающего орудия на пахотный слой с щелью его рыхления, то есть любой способ обработки почвы, по существу, является способом крошения или дробления па* хотного слоя на фракции, размеры которых должны соответствовав агротехническим требованиям. В настоящее время практически вычерпаны возможности повышения качества и снижения энергоемкости известных способов обработки почвы, которые выполняются серийно выпускаемыми почвообрабатывающими орудиями.

Анализ возникновения и совершенствования почвообрабатывающих орудий показал, что они появились на базе эмпирических знаний, накопленных в результате длительного использования различных орудий. Теория клина, теория взаимодействия клина с пахотным слоем, рациональная формула для силы тяги плугов, соз-

данные основоположником земледельческой механики академиком В. П. Горячкиным, остаются до сих пор единственными теориями, объясняющими в общих чертах процесс обработки пахотного слоя.

Ограниченность известных теорий - главное препятствие в создании новых эффективных способов обработки почвы. Поэтому разработка более полных теоретических основ крошения пахотного слоя посредством объединения теорий резания и дробления материалов позволит проанализировать старые способы, обосновать новые способы и технические средства* обеспечивающие снижение энергоемкости и улучшение качества основной обработки почвы, что позволит решить актуальную и важную народнохозяйственную проблему.

В связи с этим целью настоящей работы является снижение энергоемкости и улучшение качества основной обработки почвы за счет применения почвообрабатывающих орудий, основанных на новых принципах создания напряженно-деформированного состояния пахотного слоя.

Изложенный в диссертации материал - итог работы автора с 1976 по 1997 гг. в Саратовском агроинженерном университете на кафедрах "Эксплуатация машинно-тракторного парка", "Технология металлов" и в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории специальных чугунов.

Исследования выполнены в соответствии с планом НИР Саратовского агроинженерного университета по темам "Усовершенствовать технологии и машины для основной обработки почвы" (гос. per. Ms 79032752, 78055863, 01816004439), "Применение высококачественных материалов с редкоземельными металлами при производстве ответственных деталей почвообрабатывающих машин" (гос. per. №№ 018600150070, 1066450), а также с координационными программами НИР и ОКР на 1990-1995 гг. 0.12.09.01 "Зональный зерно-

вой комплекс" и "Плодородие-почвы*' по ГНТП 0-12 "Высокоэффективные процессы производства продовольствия".

Теоретические исследования проведены с использованием современных математических методов, экспериментальные - выполнены на высокоточной измерительной аппаратуре в Поволжском филиале ВИСХОМ и Поволжской МИС.

Научная новизна работы. Получены принципиальные решения снижения энергоемкости и улучшения качества обработки почвы, основанные на реализации чистого сдвига и разнонаправленных деформаций пахотного слоя.

Научная ценность работы. Установлены закономерности сезонного изменения основных механических характеристик почвы, включая процесс трещинообразования и технологические состояния пахотного слоя. Обоснованы эффективные способы крошения пахотного слоя, закономерности процесса крошения и его энергоемкость. Разработаны теоретические основы выбора основных параметров новых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретические основы процесса крошения почвы с учетом закономерностей сезонного изменения механико-технологических свойств пахотного слоя.

2. Эффективные способы обработки почвы, разработанные на основе реализации деформации чистого сдвига или двухосного сжатия.

3. Научные основы расчета параметров предлагаемых рабочих органов и почвообрабатывающих орудий.

4. Результаты экспериментальных исследований и испытаний разработанных почвообрабатывающих орудий и их эксплуатационно-технологическая и технико-экономическая оценка.

1. С О С Т О ЯН И Е ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

1.1. Агротехнические требования, предъявляемые к почвообрабатывающим орудиям, предназначенным для основной обработки почвы

Анализ второго раздела каталога "Сельскохозяйственная техника" [1] показывает, что основная обработка почвы выполняется почвообрабатывающими орудиями трех типов, агрегатируемыми с тракторами тяговых классов 1,4; 3; 4; 5.

К первому типу относятся лемешно-отвальные плуги общего назначения и приспособления к ним; ко второму - безотвальные почвообрабатывающие орудия (плоскорезы-глубокорыхлители, чизель-ные плуги, плуги-рыхлители и приспособления к этим орудиям); к третьему - комбинированные и фрезерные почвообрабатывающие агрегаты.

Рассматривая основные агротехнические требования (АТТ), предъявляемые к почвообрабатывающим орудиям всех трех типов (см. перечень, табл. 1.1, 1.2) [2-6], можно заключить следующее. Требования к условиям работы лемешно-отвальных плугов, плоско-резов-глубокорыхлителей, чизельных плугов и плугов-рыхлителей практически одинаковые. Однако лемешно-отвальные плуги должны обеспечивать полный оборот пахотного слоя с одновременным подрезанием сорняков и заделкой растительных остатков. При работе чизельных плугов и плугов-рыхлителей допускается наличие неразрушенных гребней значительной величины на дне борозды.

Комбинированные и фрезерные почвообрабатывающие агрегаты должны обеспечить более интенсивное крошение почвы с одновременным уплотнением взрыхленного слоя почвы.

Глубина обработки иочвн комбинированными и фрезерными агрегатами составляет 30.^50 % ;от глубины обработки плугами и безотвальными почвообрабатывающими орудиями.

Общеизвестно, что качественные показатели работы почвообрабатывающих орудий, предназначенных для основной обработки почвы, в значительной мере определяют урожайность сельскохозяйственных культур.

Перечень условий работы лемешно-отвальных плугов общего назначения и качественные показатели технологического процесса обработки почвы этими плугами

Твердость почвы, МПа, до 4. Влажность почвы, %, до 28. Глубина обработки, см, 18-30. Подрезание растительных остатков и сорняков - полное. Заделка растительных остатков, %, 98. Глубина заделки растительных остатков и сорняков, см, 12-15. Оборот пласта почвы - полный. Количество почвенных фракций размерами до 50 мм, %, не менее 75. Отклонение глубины обработки от заданной, см,± 2. Отклонение ширины захвата от конструктивной, % ±10. Высота гребней на поверхности пашни> см, не более 5.

Условия работы шгоскорезов-глубокорыхлителей, чизельных плугов, плугов-рыхлителей и качественные показатели технологического процесса обработки почвы этими орудиями

Показатель .., _ , _.„ .. Плоскорезы-глубоко-рыхлители Чизель-ные плуги Плуги-рыхлители

Твердость почвы, МПа до 4 до 4 до 5

Влажность почвы, % до 30 до 30 до 30

Глубина обработки, см 15-30 до 45 до 35

Подрезание растительных ос- полное - -

татков и сорняков

Количество почвенных фрак- не менее 80 не менее не менее

ций размерами до 50 мм, % 50, 80* 50, 75*

Отклонение глубины обработ- ± 1,5 ± 2 ± 2

ки от заданной, см

Отклонение ширины захвата ± 10 ± 10 ± 10

от конструктивной, %

Высота неразрушенных греб- отсутствует 0,4 0,2

ней на дне борозды от глубины от глубины

Сохранность стерни, % 75 60 85

Высота гребней на поверхно- не более 5 не более 3 не более 3

сти пашни, см

* Крошение почвы с приспособлениями

Условия работы комбинированных и фрезерных почвообрабатывающих агрегатов и качественные показатели технологического процесса обработки почвы этими орудиями

Показатель Комбинированные почвообрабатывающие агрегаты Фрезерные почвообрабатывающие агр