Модернизация почвообрабатывающих рабочих органов на основе исследования процесса их взаимодействия с почвой

Свечников, Петр Григорьевич

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Модернизация почвообрабатывающих рабочих органов на основе исследования процесса их взаимодействия с почвой

доктора технических наук: Свечников, Петр Григорьевич
город: Челябинск
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.20.01

Диссертация по процессам и машинам агроинженерных систем на тему «Модернизация почвообрабатывающих рабочих органов на основе исследования процесса их взаимодействия с почвой»

Автореферат диссертации по теме "Модернизация почвообрабатывающих рабочих органов на основе исследования процесса их взаимодействия с почвой"

На правах рукописи 005058117

СВЕЧНИКОВ Петр Григорьевич

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОЧВОЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

16 МАП '¿013

Челябинск - 2013

005058117

Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие, посевные машины и земледелие» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агро инженерная академия».

Научный консультант: академик РАСХН,

доктор технических наук, профессор, Бледных Василий Васильевич

Официальные оппоненты: Муцарисов Салават Гумерович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сельскохозяйственные машины» ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Сахапов Рустем Лукманович,

член-корреспондент АН РТ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Дорожно-строительные машины» ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Смелик Виктор Александрович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологические процессы и машины в растениеводстве» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт механизации сельского хозяйства» РАСХН (ВИМ)

Защита состоится «31» мая 2013 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «15» апреля 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь / ^

диссертационного ____Возмилов

совета Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы получения сельскохозяйственной продукции с минимальными затратами в нужном объеме и с необходимым качеством не теряют своей актуальности с начала возникновения сельскохозяйственного производства. Одной из главных задач сельского хозяйства РФ сегодня и на ближайшую перспективу является переход на современные экономически эффективные технологии, требующие нового подхода к земледелию с применением современных научных разработок и нового поколения сельскохозяйственной техники.

В настоящее время в РФ производится 4...7 центнеров зерна на одного человека в год. Для полного удовлетворения жителей России в продуктах питания необходимо производить примерно 10 центнеров зерна на человека, т.е. получать в среднем 17 центнеров зерна с гектара пашни. Анализ научных исследований показал, что при возделывании зерновых культур до 40% ресурсного потенциала расходуется на технологический процесс обработки почвы, а доля механической обработки почвы, например, в урожае пшеницы, составляет в среднем 14%. Для условий Урала и Сибири эта доля приближается к 20 %. Известно, что свыше 50 % механизированных работ выполняется с отклонениями от агротехнических требований. Особенно это касается основной и дополнительной обработок почвы, в процессе проведения которых данные отклонения достигают 200 %.

В контексте вышесказанного обработку почвы следует проводить так, чтобы получить нужное качество обработки, сократить расход энергии, увеличить выработку машин. Оптимальное качество крошения почвы, требуемый оборот пласта и т.д. возможно предусмотреть заранее, заставляя пласт почвы двигаться по заданной траектории на лемешно-отвальной поверхности отвального плуга или на лемехе безотвального орудия.

В этой связи является актуальным проведение углубленных научных исследований процесса взаимодействия рабочих органов с почвой с целью модернизации и проектирования таких рабочих органов почвообрабатывающих орудий, которые позволяют получить заданные агротехнические показатели обработки почвы с минимальными затратами.

Связь с научными программами. Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие, посевные машины и земледелие» ФГЪОУ ВПО ЧГАА. Исследования, составившие основу диссертационной работы, выполнены в период с 1984-го по 2011-й г. по тематическим планам научно-исследовательских работ и в соответствии с разделом Федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2011-2015 гг., одобренной Президиумом Россель-хозакадемии 18 октября 2010 г., Межведомственным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2010 г. и тематическими планами НИР ЧГАА на 1993-2015 гг. и на основании договоров о творческом сотрудничестве между ГСКБ ПО «Сибсельмаш», НПО «Семеновод», ПО КамТЗ, Литовской МИС, ГНУ ЮУНИИПОК РАСХН, ООО «ВарнаАгромаш», предприятиями АПК РФ.

Цель исследования. Создание высокоэффективных, конкурентоспособных почвообрабатывающих машин на основе модернизации и универсализации рабочих органов.

Объект исследования. Технологический процесс обработки почвы, осуществляемый рабочими органами почвообрабатывающих машин.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия рабочих органов с почвой.

Методика исследований. Предложенные рабочие органы почвообрабатывающих машин исследовались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и разработанными частными методиками. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов классической механики и математического моделирования. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных установках и в производственных условиях. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований являлась удовлетворительной (погрешность — в пределах 5... 10%). Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с использованием пакета программ МаШСАО.

Научная новизна состоит в том, что:

1. Впервые получена зависимость для определения толщины пласта на клине, позволяющая установить связи между агротехническими показателями и параметрами клина. Адекватность данных зависимостей реальным процессам подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями движения клина в различных по физико-механическим свойствам средах.

2. Впервые получено объяснение причины разрывов в почве, поступающей на клин, вспушенности и рыхлости почвы после прохода клина, что позволяет получать заданные агротехнические показатели обработки почвы.

3. Впервые определены составляющие скорости движения почвы по осям декартовых координат; что значительно облегчает процесс модернизации и проектирования почвообрабатывающих рабочих органов.

4. Экспериментально установлено, что при исследовании взаимодействия клина с почвой необходимо самостоятельно изучать три процесса:

а) разрушение почвы под действием клина;

б) формирование пласта при вступлении на клин;

в) движение пласта почвы по клину.

Указанные процессы рассматривались ранее в совокупности как один процесс, что осложняло создание почвообрабатывающих рабочих органов, отвечающих агротехническим требованиям;

5. Теоретически определена и экспериментально подтверждена функциональная зависимость траектории движения почвы по трехгранному клину, что позволяет в процессе работы модернизированных почвообрабатывающих рабочих органов получать заданные агротехнические показатели.

6. Впервые введено понятие угла резания почвы трехгранным клином, являющегося универсальной силовой и технологической характеристикой работы клина, который ранее не использовался при проектировании и модернизации рабочих органов почвообрабатывающих машин, позволяющих более точно выполнять заданные агро-требования.

7. Разработан новый способ сравнения двух лемешно-отваль-ных поверхностей с целью определения возможности работы одной вместо другой.

Новизна технических решений, разработанных способов и методов обработки почвы, замера агротехнических показателей и т.д. подтверждена 23 авторскими свидетельствами и патентами на изобретение в РФ.

Практическая ценность. Результаты исследований послужили основой для совершенствования существующих и создания новых способов обработки почвы и почвообрабатывающих машин для их осуществления.

Предложены, защищены авторскими свидетельствами и прошли производственную проверку конструкции рабочих органов безотвальных орудий, созданных на основе теоретического анализа процесса движения почвы по плоским поверхностям. Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность предложенных рабочих органов.

Разработанные рабочие органы безотвальных орудий с переменным углом резания, с фигурным башмаком, с выпуклой рабочей поверхностью лемеха и т.д. улучшают крошение почвенного пласта на 20...50%, сохранность стерни —на 15...30%, уменьшают ширину развальной борозды на 10...21% при незначительном увеличении тягового сопротивления (в пределах ошибки опыта).

Впервые предложена методика построения фронтальной проекции лемешно-отвальной поверхности (ЛОП) в программном продукте \lathCAD.

Разработана методика оптимизации поворота и перемещений ЛОП при работе на различных скоростях с использованием метода Хука-Дживса. Получены оптимальные углы поворота и перемещения, при которых отклонение сравниваемой ЛОП и базовой минимально для рассмотренных поверхностей ПЛЖ-21, ПЛЕ-21 и ПЛЖ-71. Оптимальные углы поворота во всех случаях не превышают 7°, что требует от соответствующих механизмов управления положением ЛОП в пространстве обеспечения точности позиционирования не ниже 0,5... 1°. Результаты экспериментальных исследований показали удовлетворительную сходимость по агротехническим показателям работы рабочих органов плугов сравниваемой ЛОП и базовой.

Реализация научно-технических результатов. Ряд теоретических положений, технических решений, способов и методов определения различных показателей были переданы ГНУ ЮУНИИПОК

(а.с. № 10680556, 1158060, 1165247, 1722264, 1641208, 161528, патенты РФ № 2236771, 2409926), ООО «ВарнаАгромаш» (2011 г.), Всесоюзному научно-исследовательскому институту зернового хозяйства (1984 г.).

Отдельные технические решения были рассмотрены на НТС МСХ РФ (1984 г.) и рекомендованы к внедрению в хозяйствах РФ.

Некоторые технические решения, способы и методы обработки почвы, оценки агротехнических показателей и т.д. были использованы при разработке рекомендаций парламентских слушаний и «круглых столов», проведенных Комитетом по аграрной политике ГД ФС РФ, в том числе на следующие темы:

«Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения для агропромышленного комплекса России» (в части увеличения количества выпускаемых машин, в том числе почвообрабатывающих орудий, для эффективного развития сельского хозяйства) от 21.11.2008 г.;

«О развитии сельского хозяйства в условиях кризиса, регулировании рынков сельскохозяйственной продукции и обеспечения продовольственной безопасности» (в части модернизации рабочих органов сельскохозяйственных машин и их использования на «родственных» технологических операциях) от 16.04.2009 г.;

«О ходе реализации Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» (в части создания усовершенствованных отечественных сельскохозяйственных машин) от 01.06.2010 г.;

«Продовольственная безопасность России: актуальность и перспективы» (в части повышения урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от качества обработки почвы) от 02.12.2009 г.

В свою очередь эти рекомендации были использованы при доработке Доктрины продовольственной безопасности РФ (утверждена Указом Президента РФ от 30 января 2010 года № 120), Концепции устойчивого развития сельских территорий до 2020 года (утверждена распоряжением Правительства РФ от 30 ноября 2010 г. № 2136-р).

Материалы исследований по теме диссертационной работы были реализованы в ООО «ВарнаАгромаш» при разработке и производстве следующих орудий: КБМ-7,2 и КБМ-10,0 в количестве 60 шт. и КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДН-7,2 - 15 шт.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой.

2. Математические модели движения почвы по рабочим органам, оптимальные и рациональные конструктивные параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин.

3. Модернизация рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе анализа математических моделей.

4. Оптимизация перемещений одной и той же ЛОП плуга для работы на различных скоростях движения агрегата.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались на НТС МСХ РФ (1984 г.), на парламентских слушаниях и «круглых столах», при обсуждении итоговых документов ГД ФС РФ (2000-2011 гг.), на НТС ВНИИЗХ (пос. Шортанды, 1985 г.), ГНУ ЮУНИИПОК (1992-1996 гг.), на научно-технических конференциях Казанского СХИ (1986-1988 гг.), Саратовского СХИ (1984 г.), на международных научно-технических конференциях «Достижения науки — агропромышленному производству» Челябинской ГАА (ЧИМЭСХ/ЧГАУ) (1983-2011 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 56 научных работ, в том числе 17 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК. Новизна технических решений защищена 20 авторскими свидетельствами и 3 патентами РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 284 страницы и содержит 76 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 273 наименований, из них 15 — на иностранных языках, приложений на 66 страницах. Работа по совершенствованию почвообрабатывающих рабочих органов удостоена золотой медали на XIII Российской агропромышленной выставке, дипломов на VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций и на 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель исследований и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Современное состояние проблемы и основные направления исследования» приводится обзор исследований технологических процессов обработки почвы и применяемых при этом почвообрабатывающих орудий. Рассмотрены работы ученых, внесших большой вклад в разработку современных представлений о технологических процессах обработки почвы: академиков ВАСХНИЛ и РАСХН В. П. Горячкина, П.М. Василенко, В.А. Желиговского, Н.Д. Лучинского, В. В. Бледных, Н.В. Краснощекова, Г.Е. Листопада; членов-корреспондентов Н.К. Мазитова, Ю.Ф. Новикова, а также П. У. Бахтина, П. Н. Бурченко, В. И. Вайнруба, В. И. Виноградова, В.Л. Гниломедова, А.П. Грибановского, Л.В. Гячева, A.A. Дубровского, Я. М. Жука, А. Н. Зеленина, С. Н. Капова, И. Т. Коврикова, В.Г. Кирюхина, A.C. Кушнарева, В.А. Лаврухина, Я.П. Лобачевского, А. Б. Лурье, А. И. Любимова, В.М. Мацепуро, С. Г. Мудари-сова, П.Е. Никифорова, Е.П. Огрызкова, И.М. Панова, М.Д. Под-скребко, P.C. Рахимова, В.А. Сакуна, Р.Л. Сахапова, Г.Н. Синеокова, В. А. Смелика, А. И. Тимофеева, Л. Д. Тураева, В. К. Шаршака и др.

На основе проведенного анализа состояния вопроса были определены следующие задачи исследования:

1) установить закономерности процесса формирования пласта почвы на рабочем органе;

2) определить закономерности движения пласта почвы по плоскому трехгранному клину;

3) раскрыть взаимосвязи конструктивных параметров рабочих органов с агротехническими требованиями к обработке почвы;

4) исследовать возможность универсализации рабочих органов на примере лемешно-отвальных поверхностей плугов;

5) разработать рекомендации по модернизации и проектированию рабочих органов почвообрабатывающих машин;

6) практическая реализация результатов исследований.

Во второй главе «Процессы движения почвы по различным поверхностям и геометрические параметры рабочих органов почвообрабатывающих орудий» рассматриваются процессы формирования

пласта почвы на клине, определена траектория движения почвы по трехгранному клину, определены направляющие косинусы вектора направления движения почвы по трёхгранному клину и составляющие скорости движения почвы по осям декартовых координат, введено понятие угла резания почвы трехгранным клином, рассмотрены вопросы влияния конструктивного оформления рабочих органов на технологический процесс. Рассмотрена математическая модель движения пласта почвы при отвальной вспашке.

Движение пласта почвы по плоским рабочим органам

Формируемый в результате сил взаимодействия клина с почвой пласт движется по плоскости клина ABC под некоторым углом т] к лезвию АС (рисунок 1). iZ

Рисунок 1 — Углы, характеризующие трехгранный клин и траекторию движения пласта почвы 5 (5—траектория

движения точки пласта, проходящая через вершину С)

Мы определили направляющие косинусы вектора Б:

л//2 +т2 +п2

cosps

4¡

2+т2+п2

cosys =

2 +т2 +п2

— cos t| • cos y — cos e ■ sin y • sin T); —(cos T1 • cos y + cos e • sin y • sinri); ■ = sins-sin T|.

(1)

На основе анализа механизма взаимодействия клина с почвой и зависимостей (1) получено уравнение траектории движения пласта по трехгранному клину (а.с. ви 1268120 А1, 1771549 А1, 1813316 А1, патент ГШ 2195796 С2):

íg^!]-C0SE■tgy. (2)

Подобное уравнение впервые было получено Л. В. Гячевым из соотношений сферической тригонометрии без рассмотрения физических основ процесса движения пласта по клину. Под углом г) понимается угол между траекторией движения пласта по рабочему органу и его лезвием, причем г) отсчитывается по часовой стрелке, начиная от лезвия.

Угол резания почвы трехгранным клином Известно, что все многообразие рабочих органов почвообрабатывающих машин можно исследовать на примере клина с соответствующими пространственными углами.

Нами совместно с В.В. Бледных и О.В. Лежниковым впервые введено понятие и определение (рисунок 2) угла резания почвы (уравнение (4)) в авторских свидетельствах на изобретения № № 1268120, 1771549, 1813316.

Рисунок 2 - Угол резания почвы

трехгранным клином (х) (а.с. ви 1158060 А1, 1165247 А1, 18413343 А1)

р = 180°-5С, (3)

соэх = л/соэ2 у + соэ2 е• эт2 у , (4)

сое % • вт г) = сое Е • эт у; соя х-сое г) = соэу; вт^вту-вте.

(5)

Значения угла (х) для наиболее употребляемых в рабочих органах почвообрабатывающих машин углов (у, б) приведены на рисунке 3 (уравнение (5)).

Одновременно с экспериментальной проверкой уравнения (2) нами были разработаны методики для изучения влияния скорости движения и коэффициента трения между почвой и поверхностью клина на траекторию движения.

С помощью предложенных приборов (патент на изобретение РФ № 2195796) экспериментально установлено, что на траекторию движения почвы по клину скорость движения и коэффициент трения почвы о поверхность клина не оказывают влияния (рисунки 3,4).

1 -£ = ' Ю° у = ' 10°

2-е = : 10° у = ' ш°

0,5

1,5

v, м/с

Рисунок 3 — Зависимость угла резания почвы плоским трехгранным клином (х) от его параметров (у, е) и скорости движения (У) (патент 1Ш 2195796 С2)

X' 25

20 15 10 5 0

1 V

V ±

1 V

1 -У= м/с е = 30° у = Ю°

1 1 1 2 —1 м/с е = 40° у = 40°

Рисунок 4 — Угол резания почвы плоским трехгранным клином в зависимости от материала поверхности скольжения (почва—глинистый чернозем):

а—сталь полированная; б - полиэтиленовое покрытие; в—серый чугун

В ходе проведения экспериментальных исследований была сформулирована гипотеза о том, что в процессе взаимодействия клина с почвой нужно выделять три этапа:

- разрушение почвы под действием клина;

- формирование пласта почвы на клине;

-движение пласта по клину.

Третий этап взаимодействия протекает независимо от того, что представляла собой почва до разрушения. Важно, чтобы она была разрушена на достаточно мелкие фракции, так как при наличии

крупных глыб теряется смысл самого термина «пласт почвы». Данная гипотеза была подтверждена многочисленными опытами на различных почвенных средах.

В результате экспериментальных исследований впервые установлено, что, несмотря на различия в сопротивлении движению клина и физико-механических свойствах почвы, характеристики процессов движения пласта по рабочим органам (толщина пласта на клине ак, угол разрушения материковой почвы у, толщина элементов разрушения с/, угол вращения поперечного сечения пласта 0 зависят от угла резания почвы х и определяются в основном параметрами

клина (е, у) (рисунок 5).

Получена зависимость (а.с. $и 1165247 А) для определения толщины пласта на клине:

где ак - толщина пласта на клине, м; а - глубина обработки, м; X - угол резания почвы, градусы.

Адекватность данной зависимости реальным процессам подтверждена экспериментальными исследованиями движения клина в различных по физико-механическим свойствам средах (рисунок 6).

ак = а

(¡^Х + соэх),

(6)

я, 2,6

л - чернозем обыкновенный

о - песок @ - глина - горох

Рисунок 5 - Схема измерений характеристик формируемого пласта

Рисунок 6 - Зависимость толщины пласта на клине (о4.) от угла резания почвы (х) (а = 1)

В процессе формирования пласта на плоском клине образуется пласт большей толщины, чем глубина хода рабочих органов. Из уравнения (6) следует важный технологический вывод: чтобы процесс движения по клину был стационарным, между элементами пласта в процессе его движения по клину должны быть разрывы, причем суммарная величина этих разрывов должна компенсировать изменение толщины пласта при его вхождении на клин.

Такие разрывы нами были экспериментально установлены при движении клина во всех исследуемых средах (рисунок 7). Эти разрывы характеризуют вспушенность и рыхлость почвы при сходе пласта с клина (а.с. ви 1268120 А1).

Пожнивные остатки на поверхности поля в процессе формирования пласта заделываются в почву только при сходе пласта с клина в связи с наличием разрывов в пласте почвы.

Пласт почвы на клине не будет иметь разрывов, если скорость его движения по клину будет равна составляющей, полученной в результате разложения вектора скорости клина V по направлению плоскости скольжения пласта VI и перпендикулярно к ней V" (рисунок 8).

= У-СОБЕ.

Рисунок 7 — Разрывы в пласте Рисунок 8 — Составляющая скорости почвы при вхождении на клин клина по плоскости скольжения Ук (влажный песок)

На самом деле скорость движения пласта почвы по клину всегда меньше V! (см. рисунки 8, 9).

Знание ак позволило определить скорость движения пласта по клину:

tgE + cose

так как ак-Ук = аУ.

При е = 26.. .27° эта разница достигает максимального значения

(рисунок 9) (уравнение (7)).

у.

1,223 1,196 1,17 1,143 1,112

Рисунок 9 - Зависимость отношения скоростей Ук/Ук от угла е для двугранного клина

Направляющие косинусы траектории движения пласта по трехгранному клину (уравнение (1)) дают возможность определить составляющие скорости движения пласта по осям декартовых координат (рисунок 10).

0,0605

0,0523

0,0442

0,0361

0,0281 /

X /

/ , 1

у,

0,234

0.201

0,169

0,136

0,104

0,0712 ^ I

У, 0,22

0,179

0,139

0.099

0,058'

0,018

30 40 X

Рисунок 10 - Зависимость составляющих скорости движения почвы по осям координат (К, V, V) от параметров клина (с, у) (Ук = 1): 1 - е = 20°; 2 - е = 40°

На практике обычно более важно знать составляющие скорости почвы по осям координат от поступательной скорости движения орудия (У), а не от скорости движения почвы по клину (Vt):

Vx = F (cos tj sin у-cos ecos у sin ti);

V = F (cos т| cos у + cose sin y sin т|); (8)

Vz = FsinEsinr).

Таким образом, впервые определены составляющие скорости по осям декартовых координат при движении почвы по трехгранному клину в зависимости от скорости движения рабочего органа (орудия).

Траектории движения почвы, определяемые конструктивными особенностями рабочих органов

Процессы движения почвы по плоским рабочим органам в чистом виде встречаются очень редко. Поскольку рабочий орган крепится к раме почвообрабатывающего орудия, характер этого крепления может оказывать существенное влияние на процесс движения почвы по рабочему органу.

Известно, что после прохода культиваторов-плоскорезов и глу-бокорыхлителей на поверхности поля остаются неровности специфической формы, которые отрицательно сказываются на выполнении последующих технологических операций. Нами предложена следующая схема образования неровностей и развальной борозды глубокорыхлителями, плоскорезами и культиваторами:

1. Характерные возвышения образуются от действия стойки аналогично возвышениям, возникающим при движении вертикального стержня в песке или другой среде. В это же время формируется начальная развальная борозда.

2. Развальная борозда увеличивается при движении пласта по клину с углом ti к лезвию.

Опытами установлено, что увеличение скорости движения, толщины стойки и глубины ее хода способствует увеличению размеров неровностей поля и ширины развальной борозды.

Влияние параметров трехгранного клина на изменение размеров развальной борозды при движении почвы по рабочей поверхности клина изучалось на специальной установке (а.с. №№ 1268120, 1771549). Проведенные экспериментальные исследования показали, что процесс

образования неровностей и развальной борозды на поверхности поля осуществляется по схеме, представленной на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема образования неровностей поля и развальной борозды плоскорежущими рабочими органами

Исследование процесса движения почвы позволило сделать важный практический вывод: ширину развальной борозды можно существенно уменьшить, убрав башмак (а.с. ви 1492274 А1). С целью проверки данного предположения был проведен ряд полевых испытаний серийных и экспериментальных рабочих органов, у которых башмак практически отсутствовал (рисунки 12, 13).

», - - -з -«

Рисунок 12 - Фигурный башмак (а.с. Би 1641208 А2, а.с. 1616528 А1)

В,

(аЬ\ > (аЬ\ > (аЬ\ > (ай)4 > (аЪ\

/ 1

27,5 55,0 82,5 110,0 Рисунок 13 — Зависимость ширины развальной борозды в от величины выступания башмака аЪ

Результаты испытаний показали, что рабочие органы с фигурным башмаком (рисунок 12) имеют существенно меньшую ширину развальной борозды, причем уменьшение ширины развальной борозды, полученное в опытах, удовлетворительно согласуется с теоретическими расчетами (рисунок 13).

Математическая модель движения пласта почвы при отвальной вспашке

В работах академика РАСХН В. В. Бледных вопрос кинематики отвальной вспашки почвы обсуждался довольно подробно. Мы сочли необходимым вернуться к исследованию кинематики движения пласта при отвальной обработке почвы с целью получения дополни-

тельной информации, требующейся для исследования возможности универсализации отвальных поверхностей (рисунок 14).

Если точка А (рисунок 15), лежащая на нижней грани пласта, задана координатами А(у, г), то

г = совр^.

Xл .

а, Ь

,, а

Л л

\Ъ"

.<Г

с, Л

А У*

-г и I *

> . * \

\\а

¿Д о

[¿/'^ЧОх!

Рисунок 14 - Схема оборота пласта: Рисунок 15 - Основные параметры культурная и полувинтовая движения пласта при обороте

поверхности

Мы получили уравнение (9), устанавливающее связь между координатами любой точки нижней грани пласта:

' 2-я к tgy

где ^ - шаг винтовых линий на лемешно-отвальной поверхности; Р - угол наклона нижней грани пласта к горизонту;

у - угол между лезвием лемеха и стенкой борозды; х, у—текущие координаты конкретной точки лемешно-отвальной поверхности в плоскости ХОУ (рисунок 14).

В третьей главе «Обоснование параметров рабочих органов, реализующих заданное движение почвы» рассмотрены вопросы обоснования параметров лап культиваторов, плоскорезов, глубокорых-лителей и отвальных поверхностей.

В работе В. В. Бледных и Н.В. Шигаевой показано, что угол раствора лап культиватора-плоскореза 2-у и ширина захвата лапы (В) определяются физико-механическими свойствами и засоренностью почвы (рисунок 16):

где ф — угол трения почвы по металлу лезвия;

[г,] - предельно допустимое число корней (корневищ) на метр длины лезвия, при котором непосредственный контакт почвы с лезвием не наблюдается, [г,] = 70... 150 шт./м для корней диаметром 2...2,5 мм, причем большее значение соответствует песчаным почвам, меньшее - глинистым;

г0 - засоренность почвы корнями, шт./м2.

Из уравнения (10) следует, что при определенных значениях угла у и засоренности почвы сорной растительностью существуют предельно допустимые значения В (рисунок 17). Это важно для создания менее металлоемких и более прочных рабочих органов.

Из рисунков 17 и 18 видно, что перед конструктором имеется большой выбор различных сочетаний ширины захвата рабочего органа и угла установки лезвия лемеха к направлению движения. Область выбора можно существенно сузить, если иметь в виду, что длина рабочего органа Ь, ширина его захвата Ъ и угол у связаны соотношением:

В _ъЛгАшсо5(у + ф)

(10)

2 г0 • сое ф

Ъ = Ь ■ эт у,

(П)

В = 2Ь.

ч <

18 26

42 50

а.с. Би 16412008 А2

Рисунок 16 - Основные конструктивные параметры лап культиваторов: Ь - длина лезвия лемеха; Ь — ширина захвата лемеха; у — угол установки лемеха к направлению движения; / — ширина лемешной стали

Для любой конструкции очень важен показатель металлоемкости реализуемой технологии. В данном случае в качестве показателя металлоемкости технологического процесса, реализуемого лапой культиватора, может выступать величина массы металла на метр ширины захвата:

Рисунок 17 - Предельная ширина захвата лезвия рабочего органа

в зависимости от угла его установки и засоренности поля: 1 - г0 = 20 шт./м2; 2-г0 = 40 шт./м2; [г,] = 20 шт./м; <р = 40°

(12)

где р., — металлоемкость конструкции, кг/м; в - масса рабочего органа, кг; Ъ - ширина захвата рабочего органа (лемеха), м.

Если предположить, что ширина и толщина лемешной стали рабочего органа постоянны, то длина рабочего органа будет однозначно характеризовать его массу = (уравнение (12)).

Показатель металлоемкости рабочего органа в этом случае будет таким:

Ь 1

Ъ эту

Из выражения (13) следует, что с целью снижения показателя металлоемкости выгодно иметь максимально возможный угол у (рисунок 19). Однако засоренность полей вынуждает уменьшать ширину захвата рабочих органов (рисунок 17). С уменьшением ширины захвата рабочего органа увеличивается число стоек на раме орудия, посредством которых они крепятся. В зависимости от технологических функций орудия, усилия, возникающие на стойке, могут быть очень большими, в силу чего масса стойки вместе с крепежными деталями может существенно превосходить массу рабочего органа.

Рассмотренная ситуация приводит к необходимости оптимизации ширины захвата рабочего органа по критерию металлоемкости с учетом стоек (уравнения (14), (15)):

/{В0) = Еа +8л ->тт, (14)

масса стоек + масса лап е, С\ ц2=---, (15)

А>

где Вд - ширина захвата орудия при условии (ограничении) выполнения агротехнических требований по скольжению растительных остатков (уравнение 10).

I, и

10 18

\ V

10 18 26

34 42 50

Рисунок 18 - Длина лемеха Рисунок 19 - Зависимость показателя в зависимости от угла его установки металлоемкости технологического и засоренности поля: процесса ц (в условных единицах)

1 - г0 = 20 штУм2; 2-го = 40 итгУм2; от угла установки лемеха

[г,] = 20 пгг./м; ф = 40° к стенке борозды у

Высота клина И, движущегося на глубине о, играет решающую роль в сохранении стерни (растительных остатков) на поверхности поля и вспушенности почвы после прохода орудия. Высота клина и угол установки клина к дну борозды определяются на основе агротехнических требований. Более подробно физическая сущность данных процессов рассмотрена ранее. Здесь мы отметим только некоторые количественные характеристики процесса заделки растительных остатков в почву, которые получены в результате экспериментальных исследований.

Экспериментальные зависимости, представленные на рисунках 20 и 21, позволяют обоснованно выбирать высоту клина А, исходя из требований агротехники.

\ /

4 Ч •

40 50 60

Рисунок 20 — Сохранение пожнивных остатков на поверхности поля (%) в зависимости от высоты двугранного клина А, мм (лабораторные опыты): а -угол е = 30°, х -угол е = 20° (a-c.SU 1813316 А1)

Л, мм

Рисунок 21 — Сохранение стерни на поверхности поля, %, в зависимости от высоты трехгранного клина А, мм

(полевые опыты): х — скорость 1 м/с, х = 20°; ▲ — скорость 2 м/с, х = 20°; • - скорость 1 м/с, х = 30°; + - скорость 2 м/с, х = 30°

При испытаниях культиваторов, плоскорезов, глубокорыхлите-лей было обнаружено, что на влажных почвах плоские лапы имеют одинаковую форму налипшей на них почвы (рисунок 22).

Если допустить, что реакция N рабочего органа на почвах с любой влажностью и механическим составом зависит только от глубины хода рабочего органа (рисунок 23), то можно написать:

Лг = ка,,

где к - характеристика данного типа почв по удельному сопротивлению, Н/см;

а. — глубина, на которой фиксируется Ж.

=^-созе = Ла;со8Б,

т.е. сила ТУ, которая движет почву вверх, уменьшается с уменьшением глубины а.

f In. a, a.

0 el 1—

Рисунок 22 - Характерная форма Рисунок 23 - Нормальная реакция налипания почвы на плоский клин клина при взаимодействии с почвой

Нами выдвинута гипотеза о том, что это приводит к залипанию рабочей поверхности. Чтобы не было залипания, необходимо иметь такую рабочую поверхность, у которой в любой точке соблюдается условие: Nt = const, т.е.

Nz =N-cose = kai cose = const. (16)

Достичь выполнения данного условия можно только одним способом - сделать угол е переменным по высоте, т.е.

ка0cosе0 = ka, cose,, (17)

где а0 - значение глубины хода у основания клина; а. - значение а в i-той точке клина; £0 - угол клина к дну борозды на глубине а0; е. - угол клина к дну борозды на глубине а . Из уравнения (17) находим углы клина, при которых соблюдается условие Nz = const:

cose.

-СОБЕ,,

е. = arceos-

-сове«

а.

На рисунке 24 представлена расчетная форма клина, не подверженного залипанию, при е0 = 30°, а0 = 20 см.

Данные расчетов по определению профиля лапы культиватора легли в основу серии производственных рабочих органов, рекомендованных МСХ СССР, для внедрения в производство (рисунок 25) (а.с. ви 1068056 А, а.с. ви 1686300 А1, а.с. Би 1068056 А)).

А, см

1,5 1

0,5

/ /

30 27 24 21 18 15 12,5 9,5 6,5 3,8 0,8

Рисунок 24 - Расчетная форма

поверхности клина, не подверженного залипанию

Рисунок 25 - Профиль лапы культиватора

Нами была выдвинута гипотеза о том, что рабочий орган культи-ватора-плоскореза-глубокорыхлителя будет обладать большей способностью крошения, если у него будет переменный угол резания по длине лемеха. В этом случае почва будет испытывать деформации кручения и изгиба. Были исследованы возможные схемы изменения угла резания.

Рабочие органы, имеющие переменный угол резания х по длине лемеха (а.с. №№ 1068056, 1158060, 1165247, 1641208), при тех же энергетических затратах обеспечивали крошение почвы по сравнению с серийными на 20...50% лучше. Предложенные рабочие органы культива-тора-плоскореза-глубокорыхлителя с переменным углом резания имеют увеличивающийся (рисунок 26) или уменьшающийся (рисунок 27) углы резания от носка к пятке лемеха. Данные рабочие органы хорошо крошат пласт, не скалывают больших кусков почвы, способствуют более устойчивому ходу орудия по глубине обработки (рисунок 28).

а.с. БУ 1068056 А

Рисунок 26 - Рабочий орган культивагора-плоскореза-глубокорыхлителя с переменным углом резания (угол резания увеличивается от носка к пятке)

а.с. 511 1165247 А

Рисунок 27 - Рабочий орган культиватора-плоскореза-глубокорыхлителя с переменным углом резания (угол резания уменьшается от носка к пятке)

XI < Ь < - < X,

А:, % 80 70 60

1 •, * - эксперимен 1 г. данные

• у ^пг- ----X

Н = 25,0 см Г= 10,0 км/ч

Я, кн 15 14 13

10 20 30 Рисунок 28 - Зависимость крошения почвенного пласта К тягового сопротивления Я от интенсивности изменения угла резания почвы Д% рабочего органа КПГ: А.% = Х„_ Х1_ интенсивность изменения угла резания почвы, где х, - минимальный угол резания; - максимальный угол резания почвы

Построение лемешно-отвальной поверхности плуга

В основу построения ЛОП рабочего органа плуга положена следующая гипотеза: действительное перемещение, которое совершает точка относительно неподвижной поверхности, будет перпендикулярно нормальной реакции N в каждой точке поверхности. Для этого:

1. Находятся нормальные силы при движении почвы по траектории, определяемой требованиями агротехники.

2. Строятся выкройки ЛОП.

3. Набор выкроек определяет искомую поверхность.

В плоскости 20 У (рисунок 29) направление нормали к кривой на плоскости можно задать несколькими способами, в частности с помощью угла наклона касательной к траектории движения:

йг N п

ау Мг п2

т.е.

09)

пу

где иии- длина отрезков по оси X и У.

Данное выражение есть уравнение выкройки рабочей поверхности в плоскости 20У в дифференциальной форме, где отношение (19) является геометрическим параметром, определяющим направление нормали к выкройке лемешно-отвальной поверхности в любой точке траектории движения пласта почвы.

В. В. Бледных получил уравнение выкройки одного сечения ЛОП, исходя из условия классического оборота пласта:

у = 11у1аиЬ0-х-Ь-2)+—агс8т- + ^^, (20)

2 п Ь 1ёу0

где х, у, г — координаты точки ЛОП (пласта);

Ъ - радиус вращения точки пласта в плоскости 20У\ 5 — шаг винтовой линии; Уд - скорость движения орудия; Ь0 - ширина пласта;

У0а1 - скорость движения пласта почвы.

N к 1

Ча,

N /

//а

Рисунок 29 - Построение выкройки лемешно-отвальной поверхности по направлению нормальной реакции N на траектории движения

Для построения лемешно-отвальной поверхности в целом уравнения (20) недостаточно, т. к. оно позволяет построить только одно сечение (выкройку) ЛОП. Чтобы набрать всю ЛОП, необходимо построить ее фронтальную проекцию.

Нами разработана методика построения фронтальной проекции лемешно-отвальной поверхности в пакете МаЛСАО при некоторых исходных данных. Пример: Ь0 = 350 - ширина захвата корпуса, мм; у0 = 2000 - рабочая скорость, мм/с; а = 270 - глубина пахоты, мм; g = 9806 - ускорение свободного падения, мм/с; <р = 20с^ - угол внешнего трения, рад; у = 40с1е§ - угол постановки лемеха к стенке борозды; ц = 10с^ - угол отваленного пласта по ходу движения корпуса, рад (рисунок 30).

$0 Ш 4М Я» Ив 1!,*г.13.1«г4|.х5.)6И6).1? ..щмг.

/ N

Л / \

/ /

Пт ' ъ /

* Г

I У

Рисунок 30 - Построение фронтальной проекции лемешно-отвальной поверхности (патент Яи 2462013 С1)

Рисунок 31 - Подготовка данных о топологии ЛОП для пакета МаЛСАО

Угол наклона нижней грани пласта к горизонту, рад:

ф(x,z) =

л- otherwise

atg

ifx<è0

Радиус вращения точек пласта, мм:

b-^K-xf+z1

b(x,z) = k1-J(b0+a-x)2 +

Type = 0-тип ЛОП

В четвертой главе «Универсализация рабочих органов для основной обработки почвы» рассмотрена возможность использования одной лемешно-отвальной поверхности для работы на различных скоростях.

Нами выдвинута гипотеза о возможности использования одной и той же лемешно-отвальной поверхности для работы на различных скоростях путем ее пространственного поворота и перемещения. Для этого необходимо определить такие перемещения ЛОП, спроектированной для скорости Vv которые максимально приближают ее к лемешно-отвальной поверхности, предназначенной для работы на скорости VY Предлагается следующий алгоритм поворота.

1. Обе лемешно-отвальные поверхности (обозначим их/" и/^) аппроксимируются рядом плоскостей (yv и ур):

Коэффициенты А, /, Ь определяются методом наименьших квадратов. При этом уравнения, описывающие плоскости у" и ур, принимают вид:

y-h-x + 1-z+b.

=Ех- 'У'

п 9

п >

h-,Zxa+l-2tz„+b-N = y£iy*.

2. Определяются нормали к плоскостям:

(21)

3. Выполняется совмещение нормалей путем поворота вектора р. Для этого определяется система координат в которой р = V. Система координат получается вращением исходной системы координат хуг.

4. Осуществляется поворот лемешно-отвальной поверхности /р. Координаты точек поверхности находятся согласно выражению

Полученная поверхность будет максимально приближена к р.

Методика оптимизации поворота и перемещений лемешно-отвальной поверхности при работе на разных скоростях

Предлагаемая нами методика позволяет найти такое новое положение ЛОП сравнения Z2(x, у) в пространстве xyz (6 переменных смещения х0, yQ и z0 и углы поворота ф,, ф>, ф2), чтобы отклонение ЛОП сравнения Z,(x, у) от базовой ЛОП Z2(x, у) было минимальным.

Для решения задачи об оптимальном положении ЛОП сравнения был выбран в среде Windows пакет для проведения инженерных и научных расчетов MathCAD. Ввод исходных данных о топологии поверхностей ЛОП был проведен с помощью прямоугольных //'-матриц, каждому элементу которых соответствует значение Z точки, принадлежащей данной ЛОП. Для проведения этой процедуры на одну из проекций каждой ЛОП была нанесена сетка с постоянным шагом по

' У?\=[М\\УР •■

(22)

осям х и у (рисунок 31). Каждой ЛОП соответствовал свой шаг сетки, обусловленный различием в масштабе исходных чертежей. Далее согласно линиям уровня //-ячейки матриц были записаны значения координат

Задача об оптимальном положении лемешно-отвальной поверхности сравнения по отношению к базовой ЛОП является задачей нелинейного (выпуклого) программирования в многомерном гиперпространстве.

Параметрами оптимизации в данном случае являются углы поворота <рх, фу, фг, смещения х0, у0 и г0 (шесть величин в указанной последовательности — шестимерное пространство варьируемых параметров), однозначно определяющие положение ЛОП в пространстве*^.

В качестве целевой функции была выбрана сумма квадратов разностей координат у^ сравниваемой ЛОП и у^ на множестве у базовой ЛОП, соответствующих базовой ЛОП (а.с. Би 1036258 А, а.с. БУ 1130169 А, а.с. ви 1207408 А):

Для решения задачи оптимизации положения лемешно-отваль-ной поверхности сравнения по отношению к базовой ЛОП был выбран метод Хука-Дживса, который относится к группе методов координатного спуска. Достоинством данного метода является отсутствие необходимости вычислять градиент целевой функции: функция может быть задана любым образом (аналитическое выражение, значение процедуры и т.д.

Решение сравнительной топологической задачи — об отыскании оптимального положения ЛОП сравнения по отношению к базовой ЛОП - было проведено на примере отвальных поверхностей ПЛЕ-21, ПЛЖ-71 и ПЛЖ-21 (три варианта поиска взаимного соответствия). Результаты приведены на рисунке 32.

Нами были изготовлены и испытаны опытные образцы лемеш-но-отвальных поверхностей, позволяющие осуществлять их пространственное перемещение для работы на разных скоростях.

1=1 у=1

!»(■*/> У) ) 6 ОА'В'С'О'

(24)

Пример № 1

Пример № 2

Пример № 3

Рисунок 32 - Результаты оптимизации лемешно-отвальных поверхностей -базовой и сравнения (сетка - базовая ЛОП, сплошная - ЛОП сравнения)

Опытные образцы лемешно-отвальных поверхностей изготовлены на ОАО «ФИПЦ «Станкомаш» и испытаны на Северо-Кавказской машинно-испытательной станции. Результаты испытаний свидетельствуют о работоспособности предлагаемого метода перемещения ЛОП в пространстве (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты оптимизации

№ п/п ЛОП Тестовый пример Пример № 1 Пример №2 Пример .№3

Базовая ЛОП ПЛЕ-21 ПЛЕ-21 ПЛЖ-21 ПЛЖ-71

ЛОП сравнения ПЛЕ-21 (повернутая и смещенная) ПЛЖ-7) ПЛЖ-71 ПЛЖ-21

Фх> градус -9,998 7 2,7 —1,8

Окончание таблицы 1

№ п/п ЛОП Тестовый пример Пример №1 Пример №2 Пример №3

<Р„, градус -9,998 6,8 -0,4 -5,4

Фг, градус -9,998 0,4 2 1,8

х0, мм -9,969 -18,8 0 30,5

у0, мм -10,031 -39,1 -29,7 9,4

2„,ММ -9,984 0 0 -33,6

В пятой главе «Практическая реализация результатов исследования» отмечается, что по материалам диссертационного исследования получено 20 авторских свидетельств и 3 патента РФ на изобретение.

Одно изобретение принято к внедрению МСХ РФ:

- а.с. № 1068056.

Семь изобретений и научных результатов внедрены на различных предприятиях РФ (таблица 2):

-а.с.№ 1268120; а.с.№ 1500173; а.с.№ 1771549; а.с.№ 1813316; а.с. № 1158060; а.с. № 1165247.

- патент РФ № 2195796.

В связи с имеющимися проблемами в сельском хозяйстве и сельскохозяйственном машиностроении РФ почвообрабатывающие орудия, изготовленные по нашим авторским свидетельствам и патентам, выпущены небольшими опытными партиями.

Экономический эффект от выполненных исследований складывается из следующих элементов (таблица 3):

- снижение тягового сопротивления и рост выработки орудий при той же крюковой мощности трактора;

- улучшение качества выполнения операций при обработке почвы и рост урожайности сельскохозяйственных культур при прочих равных условиях;

- снижение металлоемкости орудий при одинаковых параметрах технологического процесса;

- повышение надежности орудий в силу снижения силовых и динамических нагрузок на орудие;

- сокращение времени на НИОКР на предприятиях, выпускающих сельскохозяйственную технику, в среднем до 4 месяцев на одно орудие;

- ускорение ввода орудий в эксплуатацию в среднем на 1 год.

Таблица 2 - Внедрение результатов исследования по документам предприятий

№ п/п Место внедрения Что внедрено Объем внедрения или экономический эффект

1 г. Челябинск, ЮУНИИПОК Россель-хозакадемии Дополнительный рабочий орган для выкалывания картофеля плуга ПЛР-3. Патент № 2236771 Годовой экономический эффект 34 773 руб. на 1 га убранной площади (в ценах 2010 г.)

2 Рационализаторские предложения и изобретения, рекомендуемые Мин-сельхозом СССР для внедрения в производство. Выпуск № 2,1985 г. Рабочий орган КПГ с увеличивающимся углом резания от носка к пятке лемеха. А.с. № 1068056 Рекомендации МСХ СССР для внедрения в сельхозпредприятиях страны

3 ООО «ВарнаАгроМаш» Варненско-го района Челябинской области Результаты НИР по обоснованию рабочих органов почвообрабатывающих машин. А.с.№№ 1068056,1165247,1500173; патент РФ № 2195796 Результаты НИР были использованы при производстве блочно-модульных культиваторов (КБМ-7,2, КБМ-10,0) -60 шт.; тяжелых культиваторов (КЛДН-4,0, КЛДН-6Д КЛДН-7,2) -15 шт.

4 г. Челябинск, ЮУНИИПОК Россель-хозакадемии Рабочие органы КПГ с переменным углом резания. А.с. №№ 1268120,1771549,1813316 Годовой экономический эффект 200 руб. на 1 га (в ценах 2005 г.)

5 Государственная дума ФС РФ, г. Москва Рекомендации парламентских слушаний и «круглых столов» (см. справку о внедрении) - Доктрина продовольственной безопасности РФ (утверждена Президентом РФ в 2010 г.); - Концепция устойчивого развития сельских территорий (утверждена распоряжением Правительства РФ в 2010 г. № 2136-р)

ОЛ

Окончание таблицы 2

№ п/п Место внедрения Что внедрено Объем внедрения или экономический эффект

6 Зона деятельности Уральского испытательного центра сельскохозяйственной техники, г. Челябинск Плуг лемешно-роторный ПЛР для обработки почвы и выкапывания картофеля. Патент РФ № 2236771. Технические условия на изготовление семейства плугов лемешно-ро-торных ПЛР со сменными рабочими органами, опытные образцы 2-, 3-, 4-корпусных плугов, чертежно-тех-ническая документация, результаты приемочных испытаний Уральского испытательного центра СХТ Заключение: плуг ПЛР отвечает всем требованиям, предъявляемым к машинам для основной обработки почвы и выкапывания картофеля и рекомендуется к выпуску в зоне Урала для фермерских и крестьянских хозяйств

7 ГСКБ ПО «Сибсельмаш», НПО «Семеновод», Литовская МИС, КамТЗ Модульные широкозахватные плоскорезы типа КПШ. А.с.№ 1500173 Подготовлены материалы и образцы по плоскорезам в соответствии с договором о творческом сотрудничестве

8 ООО «Совхоз Капггакский», Челябинская область Рабочий орган отвального плуга. Патент РФ №2409926 Изготовлен опытный образец роторного плуга ПЛР-2 «Умелец» в ЗАО ИПП «ТехАртКом» по техническим чертежам кафедры ППМ ЧГАА

Таблица 3 - Расчетный годовой экономический эффект в ценах 2011 года

Орудие Расчетный годовой экономический эффект на 1 орудие, руб.

от снижения тягового сопротивления от снижения веса от улучшения агро-показателей Всего

Культиватор КПГ с фигурным башмаком 3 000 2 000 200 5 200

Культиватор КПГ с переменным углом резания 500 500

Рабочий орган плуга для выкапывания картофеля ПЛР-3 34 773 34 773

Универсализация ЛОП. Четырехкорпусный плуг 1 200 1200

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа механизма взаимодействия клина с почвой установлены закономерности процесса формирования пласта почвы на рабочем органе:

- подтверждена научная гипотеза о необходимости выделения в процессе взаимодействия клина с почвой трех этапов, а именно:

а) разрушение почвы под действием клина;

б) формирование пласта почвы на клине;

в) движение пласта почвы по клину;

- получена зависимость для определения толщины пласта на клине, которая определяется углом резания почвы;

- впервые введено понятие угла резания почвы трехгранным клином, получены математические формулы для его определения и зависимости, связывающие в единое целое углы резания почвы

трехгранным клином, вступления пласта почвы на клин и углы, характеризующие его параметры. Угол резания почвы трехгранным клином является универсальной силовой и технологической характеристикой его работы, которая ранее не использовалась при проектировании почвообрабатывающих рабочих органов, позволяющих более точно выполнять заданные агротребования.

2. Определены закономерности движения пласта почвы по плоскому трехгранному клину:

— установлено, что несмотря на различия в сопротивлении движению трехгранного клина и физико-механических свойств почвы характеристики процесса движения пласта по рабочим органам (толщина пласта на клине, угол разрушения пласта почвы, толщина элементов разрушения, угол вращения поперечного сечения пласта) определяются в основном параметрами клина;

— определены зависимости составляющих скорости движения почвы по осям декартовых координат от поступательной скорости движения орудия и параметров клина;

— теоретически определена и экспериментально подтверждена траектория движения почвы по трехгранному клину, исходя из анализа механизма взаимодействия клина с почвой, что позволяет получать заданный результат работы почвообрабатывающих машин путем изменения траектории движения пласта параметрами рабочих органов;

— исследован процесс движения почвы по плоским рабочим органам не в чистом виде (один плоский клин), а с учетом служебных частей рабочего органа — стойки, усилителей жесткости и т.д. Определена схема образования неровностей поля и ширины развальной борозды при обработке почвы культиваторами, плоскорезами, глу-бокорыхлителями.

Установлено, что характер крепления рабочих органов к раме орудия оказывает существенное влияние на процесс движения почвы по рабочим органам. Увеличение скорости движения агрегата, толщина стойки и глубина ее хода способствуют увеличению неровностей поля и ширины развальной борозды;

—доказано наличие разрывов в пласте почвы на основе анализа скоростей движения пласта относительно поверхности клина;

— установлено, что траектория движения пласта почвы по плоскому трехгранному клину не зависит от скорости движения орудия и коэффициента трения почвы по поверхности скольжения.

Новизна экспериментальных исследований по определению траектории движения почвы подтверждена 5 авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения.

3. Раскрыты взаимосвязи конструктивных параметров рабочих органов почвообрабатывающих орудий с агротехническими требованиями к обработке почвы:

- установлена взаимосвязь вспушенности и рыхлости почвы, сходящей с клина, с величиной разрывов в пласте и его толщиной на клине;

- теоретически и экспериментально доказано, что ширину развальной борозды при работе культиваторов, плоскорезов, глубоюорых-лителей можно существенно уменьшить, сократив путь движения частицы почвы путем изменения формы башмака рабочего органа;

- выдвинута и подтверждена гипотеза о причинах залипания плоских рабочих органов на влажных почвах. Найдено техническое решение для устранения залипания плоских рабочих органов;

- подтверждена научная гипотеза о влиянии переменного угла резания почвы по длине лемеха на улучшение крошения почвы. Показано, что разными значениями переменного угла резания и высотой клина можно изменить траекторию движения пласта по рабочей поверхности и тем самым получить заданные показатели агротребо-ваний при обработке почвы;

- получена зависимость для определения толщины пласта на клине и определены причины разрывов в почве, поступающей на клин, вспушенности и рыхлости почвы после прохода клина. Это явилось основой для определения составляющих скорости движения почвы по осям декартовых координат в процессе движения орудия, что является одним из важных факторов для совершенствования процесса взаимодействия клина с почвой и модернизации почвообрабатывающих рабочих органов.

4. Подтверждена научная гипотеза об использовании одной и той же ЛОП для работы на различных скоростях движения агрегата путем ее пространственного перемещения. Разработан алгоритм поворота и перемещений ЛОП рабочего органа плуга.

5. Разработана методика оптимизации поворота и перемещения ЛОП при работе на различных скоростях с использованием метода Хука-Дживса. Получены оптимальные углы поворота и перемеще-

пия, при которых отклонение поверхностей сравнения и базовых минимально для рассмотренных ЛОП (ПЛЖ-21, ПЛЕ-21, ПЛЖ-71) рабочих органов плуга. Оптимальные углы поворота во всех случаях не превышают 7°, что требует от соответствующих механизмов управления положением ЛОП в пространстве обеспечения точности позиционирования не ниже 0,5... 1°. Большая точность нецелесообразна, так как многокорпусные плуги в процессе работы изменяют свое угловое положение за счет упругих деформаций рамы и изменения пространственного положения на 1... 1,5°.

6. Разработаны рекомендации по модернизации и проектированию рабочих органов почвообрабатывающих машин:

- рабочие органы культиваторов, плоскорезов и глубокорыхли-телей с переменным углом резания по длине лемеха (увеличивающимся или уменьшающимся от носка к пятке) создают большее напряженное состояние в пласте почвы, чем серийные, за счет деформаций изгиба и кручения (интенсивность изменения угла резания по длине лемеха 5...25°). Эти рабочие органы при тех же энергетических затратах обеспечивали крошение почвы на 20.. .50 % эффективнее, чем серийные;

- рабочие органы культиваторов, плоскорезов и глубокорых-лителей с фигурным башмаком уменьшают ширину развальной борозды на 10... 3 0 % при скорости движения агрегата 7... 10 км/ч;

— предложена методика построения фронтальной лемешно-от-вальной поверхности рабочего органа плуга в программном продукте МаШСАО.

7. С использованием результатов настоящей научно-исследовательской работы на предприятии ООО «ВарнаАгромаш» Челябинской области выпущены:

— плуги со сменными рабочими органами — 30 шт.;

— культиваторы блочно-модульные КБМ-7,2 и КБМ-10,0 в количестве 60 шт.;

- культиваторы тяжелые КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДН-7,2 в количестве 15 шт.;

Акты внедрения рабочих органов для отвальной и безотвальной обработки почвы свидетельствуют о том, что экономический эффект от их использования составляет 200... 1 000 рублей на 1 га обработанной площади.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Свечников П. Г. Алгоритм перемещений лемешно-отвальной поверхности плуга при работе на различных скоростях // Аграрный вестник Урала. Научный журнал. 2012. № 5(97). С. 65-68.

2. Свечников П. Г. Лемех с переменным углом резания // Сельский механизатор. 2012. № 3. С. 11-12.

3. Свечников П. Г. Оптимальный профиль лапы культиватора-плоскореза //Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 1. С. 40-41.

4. Свечников П. Г., Стрижов В. А., Мухаматнуров М. М. Совершенствование технологии известкования путем тщательного перемешивания извести с почвой // Техника и оборудование для села. 2012. № 1. С. 22-24.

5. Свечников П. Г. Угол резания почвы трехгранным клином // Научное обозрение. 2012. № 1. С. 123-126.

6. Свечников П. Г. Исследование процесса формирования пласта при движении двухгранного клина в различных средах // Вестник ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет». Сер. Агроинже-нерия. 2011. Вып. 2(47). С. 53-55.

7. Свечников П. Г. Направляющие косинусы линии движения пласта по трехгранному клину // Научное обозрение. 2011. № 6. С. 115-119.

8. Свечников П. Г. Определение траектории движения почвы по величине развальной борозды // Научное обозрение. 2011. № 6. С. 119-123.

9. Свечников П. Г. Построение фронтальной проекции лемешно-отвальной поверхности корпуса плуга // Достижения науки и техники в АПК. 2011. №6. С. 77-79.

10. Свечников П. Г. Способ и устройство для определения траектории движения почвы на рабочем органе КПГ // Техника и оборудование для села. 2011. № 12. С. 8-10.

И. Свечников П. Г. Уточнение основных уравнений движения почвы при отвальной вспашке // Достижения науки и техники в АПК. 2011. № 4. С. 71—72.

12. Свечников П. Г. Форма двугранного клина с минимальным залипанием // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 12. С. 24—25.

13. Универсальное орудие для возделывания картофеля / П. Г. Свечников, Р. С. Рахимов, М. М. Мухам атнуров, Ф. Н. Граков // Тракторы и сельхозмашины. 2004. №9. С. 19-20.

14. Сравнительная топология лемешно-отвальных поверхностей плуга / В. В. Бледных, П. Г. Свечников, С. Б. Сапожников, А. Ф. Тыняный // Доклады РАСХН. 2002. № 5. С. 60-64.

15. Бледных В. В., Свечников П. Г., Леванидов В. В. Процесс формирования пласта почвы рабочим органом // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1986. № 4. С. 18-20.

16. Бледных В. В., Свечников П. Г. Рабочий орган КПГ с переменным углом резания // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1986. № 5. С. 55.

17. Бледных В. В., Свечников П. Г. Рабочий орган для безотвальной обработки почвы // Техника в сельском хозяйстве. 1984. № 5. С. 54-55.

Статьи в сборниках научных трудов и материалах научных конференций

Всего опубликовано 16 работ, в том числе:

18. Свечников П. Г. Пространственный поворот ЛОП с целью обеспечения их работоспособности на разных скоростях // Вестник ЧГАА. 2011. Т. 58. С. 89-92.

19. Бледных В. В., Свечников П. Г. История создания плуга. Челябинск : ЧГАУ, 1992. 36 с.

20. Свечников П. Г., Гордеев О. В., Старших В. В. Использование гидродинамической аналогии для моделирования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. научн. трудов. Челябинск : ЧИМЭСХ, 1990. С. 26-31.

21. Свечников П. Г., Старших В. В., Ивахно Ю. М. Методика определения упругих констант почвы // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. научн. трудов. Челябинск : ЧИМЭСХ, 1990. С. 47—50.

22. Гордеев О. В., Свечников П. Г. Моделирование на ЭВМ процесса формирования пласта рабочими органами // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. научн. трудов. Челябинск : ЧИМЭСХ, 1989. С. 26-29.

23. Свечников П. Г., Старших В. В., Пронысин В. Н. К вопросу определения оптимальной формы лезвия культиваторной лапы // Эффективность механизации процессов в сельскохозяйственном производстве : сб. научн. трудов. Казань : Казанский СХИ, 1988. С. 24-26.

24. Бледных В. В., Свечников П. Г. Влияние переменного угла резания рабочего органа глубокорыхлителя на крошение почвы // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. научн. трудов. Челябинск : ЧИМЭСХ, 1986. С. 18-23.

25. Бледных В. В., Свечников П. Г. Образование микрорельефа поля плоскорежущими рабочими органами // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. научн. трудов. Челябинск : ЧИМЭСХ, 1985. С. 15—23.

26. Свечников П. Г. Рабочий орган оборотного плуга для гладкой вспашки // Уральские Нивы. 1984. № 3. С. 59.

27. Свечников П. Г. Результаты испытаний различных типов рабочих органов орудий для безотвальной обработки почвы // Механизация работ в полеводстве : сб. научн. работ. Саратов : Саратовский СХИ, 1984. С. 71—75.

Патенты и авторские свидетельства

28. Пап на изобретение 2462013 1Ш С1 УСЖ РОЮ 15/04 (2006/01). Отвальный плуг с регулировкой лемешно-отвальной поверхности рабочих органов

/В. В. Бледных [и др.]; патентообладатель Челябинский государственный агроин-женерный университет. № 2011130095/13 ; заявл. 19.07.2011; опубл. 27.09.2012, Бюл. № 27.

29. Пат. на изобретение 22367711ШМПК7 А01В 17/00, А01Д 13/00. Плуг-картофелекопатель /М.М. Мухаматиуров [и др.] ; патентообладатель Челябинский государственный агроинженерный университет. № 93051876 ; заявл. 12.11.93 ; опубл. 27. 09.2004, Бюл. № 27.

30. Пах на изобретение 2195796 Российская Федерация, 7 АОШ^ 17/00. Способ и устройство для определения относительной траектории движения материала по трехгранному клину почвообрабатывающего рабочего органа / В. В. Бледных, П. Г. Свечников, Т. А. Березина; патентообладатель Челябинский государственный агроинженерный университет. № 2001109679/13 ; заявл. 10.04.2001; опубл. 10.01.2003, Бюл. № 1.

31. А с. Эи 1813343 А01Д 17/16. Подкапывающий рабочий орган картофелеуборочного комбайна/В. В. Бледных, П. Г. Свечников, А. А. Колесниченко. № 4927370/15 ; заявл. 04.03.91 ; опубл. 07.05.93, Бюл. № 17.

32. А. с. Би 1813316 А01В 17/00. Способ определения элементов траектории движения пласта почвы по поверхности плоскорежущего элемента и устройство для его осуществления / П. Г. Свечников, В. В. Бледных, О. В. Леж-ников. № 4921393/15 ; заявл. 26.03.91; опубл. 07.05.93, Бюл. № 17.

33. А с. Би 1722264 А01В 35/26. Рабочий орган культиватора/В. В. Бледных, П. Г. Свечников, О. В. Гордеев. № 4778667/15 ; заявл. 08.01.90 ; опубл. 30.03.92, Бюл. №12.

34. А с. Би 1771549 А01В 17/00. Устройство для определения элементов траектории движения пласта почвы по поверхности плоскорежущего элемента /В. В. Бледных, П. Г. Свечников, О. В. Лежников. № 4879656/15; заявл. 17.09.90; опубл. 30.10.92, Бюл. № 40.

35. А с. ви 1625350 А01В 35/20. Рабочий орган почвообрабатывающего оруция / В. В. Бледных [и др.]. № 4486750/15 ; заявл. 26.03.88 ; опубл. 07.02.91, Бюл. № 5.

36. А. с. Яи 1641208 А01В 35/20. Плоскорежущая лапа / В. В. Бледных, П. Г. Свечников, В. И. Шагруков.№ 4445130/15; заявл. 11.05.88; опубл. 15.04.91, Бюл. № 14.

37. А. с. Яи 1655315 А01В 35/30. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия/П. Г. Свечников [и др.]. № 4601548/15 ; заявл. 20.09.88 ; опубл. 15.06.91, Бюл. №22.

38. А. с. 8и 1686300 (301В 5/02. Устройство для замера толщины налипшего слоя почвы / П. Г. Свечников, В. В. Бледных, О. В. Гордеев. № 4759556/28 ; заявл. 19.10.89 ; опубл. 23.10.91, Бюл. № 39.

39. А. с. 5и 1616528 А01В 35/26. Рабочий орган культиватора / В. В. Бледных, П. Г. Свечников, О. В. Лежников. № 4640231/30-15 ; заявл. 24.01.89; опубл. 30.12.90, Бюл. № 48.

40. А. с. Би 1492274 вОШ 33/24. Способ определения объемного деформированного состояния почвы / А. Н. Моношков, П. Г. Свечников, И. Г. Штоль. № 4143045/30-15 ; заявл. 03.11.86 ; опубл. 07.07.89, Бюл. № 25.

41. А. с. Яи 1500173 А01В 59/04. Широкозахватное почвообрабатывающее орудие / А. И. Любимов [и др.]. № 4107351/30-15 ; заявл. 15.08.86 ; опубл. 15.08.89, Бюл. №30.

42. А с. Би 1417806 А01В 39/20,35/28. Ротационный рабочий орган культиватора / В. И. Виноградов [и др.]. № 4188390/30-15 ; заявл. 29.01.87 ; опубл. 23.08.88, Бюл. №31.

43. А. с. Би 1207408 А01В 3/24, 3/36. Оборотный плуг / П. Г. Свечников, И. Я. Штейнерт; С. В. Олейников. № 3725884/30-15 ; заявл. 13.04.84 ; опубл. 30.01.86, Бюл. №4.

44. А с. Би 1268120 А01В 17/00. Способ определения относительной траектории движения пласта почвы по плоскорежущему рабочему органу / В. В. Бледных, П. Г. Свечников. № 3770720/30-15; заявл. 24.05.84; опубл. 07.11.86, Бюл. № 41.

45. А. с. БИ 1158060 А01В 35/26. Рабочий орган для безотвальной обработки почвы / В. В. Бледных [и др.]. № 3703996/30-15 ; заявл. 30.12.83 ; опубл. 30.05.85, Бюл. №20.

46. А. с. Би 1165247 А01В 35/20. Плоскорежущая лапа / П. Г. Свечников, В. В. Бледных, А. С. Буряков. № 3703742/30-15 ; заявл. 26.12.83 ; опубл. 07.07.85, Бюл. № 25.

47. А. с. Би 1191005 А01В 35/22. Узел крепления стойки рабочего органа почвообрабатывающего орудия / П. Г. Свечников, В. В. Бледных, Л. А. Губин. № 3560734/30-15 ; заявл. 01.03.83 ; опубл. 15.11.85, Бюл. № 42.

48. А. с. Би 1068056 А01Б 35/20. Плоскорежущая лапа / В. В. Бледных, П. Г. Свечников ; рек. к внедр. Министерством сельского хозяйства СССР. № 3511865/30-15 ; заяв. 11.11.82 ; опубл. 23.01.84, Бюл. №3.

49. А. с. Б1Г 1130169 А01В 3/30, 3/46. Плуг оборотный / И. Я. Штейнерт, П. Г. Свечников, С. В. Олейников. № 3621010/30-15 ; заявл. 12.07.83 ; опубл. 23.12.84, Бюл. №47.

50. А. с. Би 1036258 А01В 3/30, 3/46. Плуг оборотный / М. Д. Подскребко [и др.]. № 3438294/30-15 ; заявл. 11.05.82 ; опубл. 23.08.83, Бюл. № 31.

Подписано в печать 20.02.2013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 33

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

Текст работы Свечников, Петр Григорьевич, диссертация по теме Технологии и средства механизации сельского хозяйства

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ»

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

на соискание ученой степени доктора технических наук

0^201351030

На правах рукописи

СВЕЧНИКОВ Петр Григорьевич

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный консультант: академик РАСХН, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Бледных В.В.

Челябинск -2013

Оглавление

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

Глава 1. Современное состояние проблемы и основные направления исследования....................................................................... 13

1.1 Механическая обработка почвы и факторы, влияющие

на ее качество...................................................................... 13

1.2 Технологические процессы обработки почвы и устройства для их реализации.......................................................................... 35

1.3 Анализ исследований по взаимодействию рабочих органов почвообрабатывающих орудий с почвой..................................... 44

1.4 Постановка проблемы. Цель и задачи исследования................. 61

Глава 2. Процессы движения почвы по различным поверхностям и геометрические параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин................................................................................ 62

2.1 Основные закономерности формирования пласта почвы............ 62

2.2 Движение пласта почвы по плоским рабочим органам............... 72

2.3 Угол резания почвы трехгранным клином.............................. 84

2.4 Траектории движения почвы, определяемые конструктивными особенностями рабочих органов ................................................ 96

2.5 Движение пласта почвы при отвальной вспашке........................ 103

2.6 Движение пласта почвы по любым сложным поверхностям......... 109

Выводы по главе.................................................................... 112

Глава 3. Обоснование параметров рабочих органов, реализующих заданное движение почвы........................................................ 114

3.1 Агротехнические требования к рабочим органам...................... 114

3.2 Обоснование параметров лап культиваторов-плоскорезов

и глубокорыхлителей............................................................... 127

3.3 Построение лемешно-отвальной поверхности плуга................. 150

Выводы по главе.................................................................... 159

Глава 4. Универсализация рабочих органов для основной

обработки почвы....................................................................................................................................160

4.1 Теоретическая возможность универсализации отвальных поверхностей................................................................................................................................................160

4.2 Методика расчетов оптимизации поворота и перемещений

лемешно-отвальной поверхности при работе на разных скоростях..........165

Выводы по главе......................................................................................................................................179

Глава 5. Практическая реализация результатов исследования........................180

Основные выводы..................................................................................................................................187

Список литературы................................................................................................................................191

Приложения....................................................................................................................................................218

Введение

В Толковом словаре русского языка С.И. Ожегова, Н.Ю. Шведовой модернизация определяется как усовершенствование, отвечающее современным требованиям.

В Послании Президента России Федеральному Собранию уточняется: «В XXI веке нашей стране вновь необходима всесторонняя модернизация ... мы создадим новые вещи и технологии - вещи и технологии, полезные людям».

Вопросы получения сельскохозяйственной продукции с минимальными затратами в нужном объеме и с необходимым качеством волновали людей с самого начала возникновения сельскохозяйственного производства.

Одной из главных задач сельского хозяйства РФ сегодня и на ближайшую перспективу является «переход» на современные, экономически эффективные технологии, требующие нового подхода к земледелию с применением современных научных разработок и нового поколения сельскохозяйственной техники.

Прежде всего необходимо будет сокращать издержки производства путем эффективного использования сельскохозяйственной техники.

Одним из путей снижения затрат на производство сельскохозяйственной продукции является широкое использование универсальных машин и оборудования в технологических процессах сельскохозяйственного производства, предполагающих применение одних и тех же машин и рабочих органов на сходных технологических операциях.

Судя по трудам Катона, Варрона, Колумеллы, Плиния старшего и др., проблемы организации сельскохозяйственного производства, совершенствования сельскохозяйственной техники и особенности возделывания конкретных сельскохозяйственных культур всегда находились в центре внимания античных земледельцев [89].

Например, известный римский земледелец и писатель Катон в своем трактате отмечает: «Вести хозяйство нужно так, чтобы расходовать как можно меньше», «смотри, чтобы орудий было как можно меньше, а имение не требовало больших затрат» и советует, как можно выполнить вышеописанные рекомендации. «Старайся, чтобы у тебя были хорошие плуги и лемехи». Античный агроном и писатель Плиний старший, обращая внимание на качество обработки земли, замечает: «Итак, каким же образом целесообразнее всего возделывать землю? Выходит по известному изречению: «И плохо, и хорошо».

И в наши дни проблема получения сельскохозяйственной продукции с минимальными затратами остается главной.

Анализ научных исследований показал, что при возделывании зерновых культур до 40% ресурсного потенциала расходуется на технологический процесс обработки почвы, а доля механической обработки почвы, например, в урожае пшеницы, составляет в среднем 14%. Для условий Урала и Сибири эта доля приближается к 20%. Также известно, что свыше 50% механизированных работ выполняется с отклонениями от агротехнических требований, особенно при основной и дополнительной обработке почвы (отклонения до 200%).

В условиях жесткой рыночной борьбы снижение себестоимости производства зерна - главное направление хозяйствования. Причем свести к минимуму необходимые затраты становится делом техники - во всех смыслах. Прежде всего нужен переход на ресурсосбережение, то есть модернизацию парка техники, оптимизацию севооборота и минимизацию обработки почвы.

В.П. Горячкин, касаясь работы отвальных плугов, отмечал: «Рациональный способ проектирования поверхностей отвалов должен заключаться в следующем: сначала надо было бы выяснить ту деформацию, которую должен претерпеть пласт при прохождении его по отвалу, а затем подобрать подходящую математически правильную поверхность» [65].

Нужное качество крошения почвы, нужный оборот пласта и т.д. можно заранее предусмотреть, заставляя пласт почвы двигаться по заданной траектории на лемешно-отвальной поверхности (ЛОП) рабочего органа, например, отвального плуга или на лемехе безотвального орудия. Для этого необходимо исследование технологического процесса обработки почвы и на этой основе модернизация существующих и создание новых рабочих органов почвообрабатывающих машин, отвечающих заданным требованиям.

В соответствии с Концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса России на период до 2025 года определены основные стратегические направления развития отечественной аграрной науки, в частности, научные исследования в области почвообработки:

- определение оптимального типажа модульных унифицированных машин и агрегатов высокотехнического уровня;

разработка высокоадаптивных сменных органов щадящего воздействия на почву, обеспечивающих получение программируемых показателей качества обработки;

- совершенствование комплекса комбинированных агрегатов, орудий для ярусной и послойной обработки почвы, машин с активными рабочими органами и т.д.

В контексте вышесказанного основную обработку почвы необходимо проводить так, чтобы получить нужное качество обработки почвы, сократить расход энергии, увеличить выработку машин.

В этой связи актуальным является проведение углубленных научных исследований процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, чтобы

модернизировать и проектировать такие рабочие органы почвообрабатывающих орудий, которые позволят получать заданные агротехнические показатели обработки почвы с минимальными затратами.

Цель исследования. Создание высокоэффективных,

конкурентоспособных почвообрабатывающих машин на основе модернизации и универсализации рабочих органов.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой.

Научная новизна

1. Раскрыты взаимосвязи конструктивных параметров рабочих органов почвообрабатывающих орудий с агротехническими требованиями к обработке почвы:

- теоретически и экспериментально доказано, что ширину развальной борозды при работе культиваторов, плоскорезов, глубокорыхлителей можно существенно уменьшить, сократив путь движения частицы почвы путем изменения формы башмака рабочего органа;

определения составляющих скорости движения почвы по осям декартовых координат в процессе движения орудия, что является одним из важных факторов для совершенствования процесса взаимодействия клина с почвой и модернизации почвообрабатывающих рабочих органов.

2. Впервые определены составляющие скорости движения почвы по осям декартовых координат, что значительно облегчает процесс модернизации и проектирования почвообрабатывающих рабочих органов.

3. Впервые введено понятие угла резания почвы трехгранным клином как универсальной силовой и технологической характеристики работы клина, который должен использоваться при проектировании и модернизации рабочих органов почвообрабатывающих машин, позволяющих более точно выполнять заданные агротребования.

4. Теоретически определена и экспериментально подтверждена функциональная зависимость траектории движения почвы по трехгранному клину, что позволяет в процессе работы модернизированных почвообрабатывающих рабочих органов получать заданные агротехнические показатели.

5. Экспериментально установлено, что при исследовании взаимодействия клина с почвой необходимо самостоятельно изучать три процесса:

а) разрушение почвы под действием клина;

б) формирование пласта при вступлении на клин;

в) движение пласта почвы по клину.

6. Разработан новый способ сравнения двух лемешно-отвальных поверхностей с целью определения возможности работы одной поверхности вместо другой.

Разработанные рабочие органы безотвальных орудий с переменным углом резания, фигурным башмаком, выпуклой рабочей поверхностью лемеха и т.д. повышают качество крошения почвенного пласта на 20...50%, сохранность стерни на 15...30%, уменьшают ширину развальной борозды на 10...21%, при незначительном увеличении тягового сопротивления (в пределах ошибки опыта).

Впервые предложена методика построения фронтальной проекции лемешно-отвальной поверхности (ЛОП) на ЭВМ.

Разработана методика оптимизации поворота и перемещений ЛОП при работе на различных скоростях с использованием метода Хука-Дживса. Получены оптимальные углы поворота и перемещения, при которых отклонение ЛОП сравнения и базовой минимально для рассмотренных поверхностей ПЛЖ-21, ПЛЕ-21 и ПЛЖ-71. Оптимальные углы поворота во всех случаях не превышают 7°, что требует от соответствующих механизмов управления положением ЛОП в пространстве обеспечения точности позиционирования не ниже 0,5... 1,0°. Результаты экспериментальных исследований показали удовлетворительную сходимость по агротехническим показателям работы рабочих органов плугов с ЛОП сравнения и базовой.

Методика исследований. Предложенные рабочие органы почвообрабатывающих машин исследовались в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов классической механики и математического моделирования. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных и опытно-производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований удовлетворительна (погрешность в пределах 5... 10%). Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с использованием пакета программ МаШСАБ.

Реализация научно-технических результатов. Ряд теоретических положений, технических решений, способов и методов определения различных показателей был передан ГНУ ЮУНИИПОК (а.с. № 10680556, 1158060, 1165247, 1722264, 1641208, 161528, патенты РФ № 2236771, 2409926), ООО «ВарнаАгромаш» (2011 г.), Всесоюзному научно-исследовательскому институту зернового хозяйства (1984 г.).

Отдельные технические решения рассматривались на НТС МСХ РФ (1984 г.) и были рекомендованы к внедрению в хозяйствах РФ.

Некоторые технические решения, способы и методы обработки почвы, оценки агротехнических показателей и т.д. были использованы при разработке рекомендаций парламентских слушаний и «круглых столов», проведенных Комитетом по аграрной политике Государственной Думы ФС РФ, в том числе на следующие темы:

«Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения для агропромышленного комплекса России» (в части увеличения количества выпускаемых машин, в частности, почвообрабатывающих орудий, для эффективного развития сельского хозяйства) от 21.11.2008 г.;

«О развитии сельского хозяйства в условиях кризиса, регулировании рынков сельскохозяйственной продукции и обеспечении продовольственной безопасности» (в части модернизации рабочих органов сельскохозяйственных машин и их использования на «родственных» технологических операциях) от 16.04.2009 г.;

Похожие работы

Процессы и машины агроинженерных систем
05.20.00