автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологических и режимных параметров спирального пневматического катка для уплотнения почв повышенной влажности

кандидата технических наук
Избасарова, Зауреш Исмарзаевна
город
Оренбург
год
2009
специальность ВАК РФ
05.20.01
Диссертация по процессам и машинам агроинженерных систем на тему «Обоснование конструктивно-технологических и режимных параметров спирального пневматического катка для уплотнения почв повышенной влажности»

Автореферат диссертации по теме "Обоснование конструктивно-технологических и режимных параметров спирального пневматического катка для уплотнения почв повышенной влажности"

На правах рукописи

Избасарова Зауреш Исмарзаеена

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПИРАЛЬНОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КАТКА ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург - 2009

003473094

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Путрин Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Терехов Олег Николаевич

кандидат технических наук Шпинев Александр Владимирович

Ведущая организация: ФГУ «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция»

Защита состоится « 24 » июня 2009 г. в 10 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 220.051.02 при ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460795, г Оренбург, ул. Челюскинцев, д. 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет». Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГОУ ВПО ОГАУ, www.orensau.ru « 22 » мая 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направить в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « 23 » мая 2009 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета ----~М.М. Константинов

Общая характеристика работы

С развитием научно-технического прогресса в растениеводстве все большее значение имеет адаптация параметров технологических процессов и средств механизации к природно-климатическим и почвенным условиям богарного земледелия. Полноценному достижению преимуществ адаптивного земледелия в сухостепной зоне РФ способствует соблюдение оптимальных агротехнических сроков посева, что необходимо для повышения урожайности в результате продуктивного и рационального использования ранневесенних запасов почвенной влаги, а также сохранению качества собранного урожая в результате обеспечения своевременного проведения уборочных работ.

При использовании высокопроизводительных машин и агрегатов точного земледелия простои в течение нескольких часов недопустимы, а проведение полевых работ за пределами агротехнических сроков приводит к прямым и косвенным потерям урожая на многие сотни миллионов рублей. Тем не менее, на посеве зерновых от 15 до 65% времени, оптимального по агротехническим срокам, посевные агрегаты простаивают по причине повышенной влажности посевного слоя.

Современные бороздообразующие и уплотняющие рабочие органы зерновых сеялок на физически спелых почвах обеспечивают качественное формирование семенного ложа и уплотнение надсеменного слоя, но при повышении влажности рабочие поверхности катков залипают и нарушают технологический процесс посева.

С целью исключения простоев посевных агрегатов и комплексов в ожидании физической спелости почв предлагается для уплотнения надсеменного слоя использовать пневматические спиральные самоочищающиеся катки.

Цель решения этой проблемы заключается в разработке конструкции, определении параметров и режимов работы прикатывающего рабочего органа посевных комплексов, при которых возможно качественное выполнение уплотнения почв повышенной влажности без сдерживания работ ожиданием отсутствия липкости почвы.

Цель исследования - обосновать и разработать каток для уплотнения рыхлых почв повышенной влажности при посеве зерновых культур, а также определить его конструктивно-технологические и режимные параметры.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Выявить факторы, способствующие снижению налипания и активизации отрыва почвенной корки от рабочей поверхности прикатывающих рабочих органов, разработать техническое средство, обеспечивающее возможность достаточного уплотнения разрыхленного слоя почвы повышенной влажности без залипания катка.

2. Разработать математическую модель уплотнения почвы и на основе экспериментальных данных, полученных в лабораторных и полевых условиях, а также методов численного анализа реализовать возможность использования ее для оптимизации конструкционных и эксплуатационных параметров спирального пневматического катка зерновой сеялки с учетом механического состава и повышенной влажности посевного слоя.

3. В полевых условиях проверить работоспособность и эффективность от применения зерновых сеялок, оборудованных предлагаемым спиральным пневматическим катком сверхнизкого давления.

Объект исследования - процесс уплотнения разрыхленной почвы повышенной влажности пневматическим спиральным катком.

Предмет исследования - закономерности щадящего уплотнения рыхлого над-семенного слоя почвы повышенной влажности пневматическим спиральным самоочищающимся катком.

Методика исследования - информационный обзор и анализ прототипных научных исследований, а также опыта передовой практики в части технологических процессов и средств механизации посева зерновых в экстремальных условиях, математическое моделирование с применением основных положений земледельческой механики, современной агротехнологии, программного обеспечения компьютерных технологий и основных разделов высшей математики.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель взаимодействия пневматического спирального катка с почвой, находящейся в состоянии повышенной влажности;

- закономерности уплотнения почв повышенной влажности, характеризующие динамику механико-технологического состояния надсеменного слоя;

- методики и технические средства, применяемые в экспериментальных лабораторных и полевых испытаниях предлагаемого пневматического спирального катка зерновой сеялки;

- методика определения оптимальных параметров и режимов технологического процесса уплотнения почв повышенной влажности;

- закономерности определения конструктивно-технологических и режимных параметров пневматического спирального катка.

Практическую ценность работы представляют:

- технологический процесс уплотнения почв повышенной влажности и каток, позволяющие посевным агрегатам выполнять весь объем посевных работ в оптимальные агротехнические сроки и с требуемым качеством;

- математическая модель, а также программа ЭВМ для определения конструктивно-технологических и режимных параметров самоочищающегося пневматического спирального катка с учетом заданного физико-механического состояния посевного слоя почвы;

- конструктивно-технологические и режимные параметры самоочищающегося пневматического спирального катка для черноземных почв регионов неустойчивого увлажнения;

- методика аналитических и экспериментальных исследований, и определения конструктивно-технологических и режимных параметров пневматических катков в качестве пособия для предприятий-изготовителей почвообрабатывающей и посевной техники, а также учебного материала для агроинженерных специальностей высших учебных заведений.

Реализация результатов исследования. Опытный образец зерновой сеялки СЗП - 3,6 ПСК, оборудованной пневматическими спиральными катками, изготовленными на Шильдинском ОАО «Моторемтехсервис» испытан в ОПХ «Советская Россия» и СПК «Теренсайский» Адамовского района.

На защиту выносятся:

- математическая модель взаимодействия пневматического спирального катка с почвой;

- методики экспериментальных исследований физико-механических характеристик почвы с учетом ее состояния;

- методика определения оптимальных параметров технологического процесса уплотнения почвы по характеристикам ее агротехнического и физико-механического состояния;

- конструкция пневматического спирального катка, новизна которого защищена двумя свидетельствами на полезную модель;

- зависимости физико-механических характеристик почвы от степени механического воздействия уплотняющего технического средства на почву.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры «Эксплуатация МиО и организация ITH» ФГОУ ВПО ОГАУ в 1996 - 2008 гг., на ежегодных научно-практических конференциях факультета механизации ОГАУ в 1996 - 2008 гг., региональных научно-практических конференциях и конференциях НТТМ Администрации Оренбургской области.

Публикации. По материалам выполненных исследований получено два авторских свидетельства на полезную модель, опубликовано восемь работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 105 рисунков. Список использованной литературы включает 117 наименований, в том числе 5 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, цели и задачи исследований, представлены положения, выносимые на защиту, описана общая характеристика аналитических исследований, методик и экспериментального технического оснащения, результатов научных изысканий, а также практической значимости изученной проблемы.

В первой главе «Проблемы механизации посева зерновых при неблагоприятных погодно-климатических условиях» определены интервалы оптимальных агротехнических сроков посева зерновых культур для различных регионов РФ и выявлены размеры потерь урожая от нарушения этих сроков. Установлено, что от 15 до 65% периода, оптимального по агротехническим срокам, почвы находятся в состоянии повышенной влажности, не позволяющей проведение посевных работ. Изучены характеристики погодных условий и статистика выпадения атмосферных осадков в Восточном Оренбуржье, а также размеры временных интервалов перехода почвы из переувлажненного состояния в состояние физической спелости.

Из обзора технологических процессов и вариантов конструкторского исполнения рабочих органов современных почвообрабатывающих и посевных машин следует, что катки используются для уплотнения верхнего слоя почвы абсолютно на всех машинах. Они предназначены для сохранения влаги при рыхлении почвы, а при посеве еще и для обеспечения необходимого контакта семян с плотным влажным ложем и

надсеменным слоем. Существующие катки созданы для работы на физически спелы почвах и поэтому конструктивно, а также по существу выполняемых технологиче ских процессов не состоятельны для работы на почвах повышенной влажности. Кро ме того, катки, выполненные из металла переуплотняют влажную почву в зоне раз мещения семян. Для уплотнения почв повышенной влажности все более широко применение находят пневматические колесные катки, а отдельные фирмы изготовители для этих целей отдают предпочтение металлическим спиральным.

Анализ конструктивно-технологических особенностей существующих катков по казал, что катки можно разделить на группы: выполненные из металла и имеющи пневматические шины или обрезиненные; фронтального исполнения и используемы под углом атаки; колесные, колесно-дисковые, спиральные и планчато-спирапьные.

Вопросами исследования технологических процессов уплотнения почв занима лись Пигулевский М.Х., Бахтин П.У., Ревут И.Б., Русанов В.А., Скотников В.А., Бу ров Д.И., Бондарев А.Г., Гапоненко B.C., Кононов A.M., Кушнарев A.C., Синеоко Г.Н., Каракулев В.В., Кленин Н.И., Сакун В.А., Золотаревская Д.А., Зволинский И.А Саакян С.С., Мармалюков В.Н., Кнаус A.A., Новичихин Н.Ю., Путрин A.C. и др. Ре зультаты их исследований, а также опыт передовой практики в России и за рубежо позволили усовершенствовать конструкции, а также обусловили повышение эффек тивности применения на почвообрабатывающих и посевных орудиях прикатывающи рабочих органов самых различных форм, видов, принципов действия.

Теоретические исследования взаимодействия прикатывающих рабочих органов почвой, в подавляющем большинстве, имеют отношения только к каткам, выполнен ным из металла. Поэтому в данной работе реализованы рассуждения о возможност технической реализации путей достижения приемлемого воздействия на почвенны слой в состоянии его повышенной влажности с соблюдением агротехнических энергетических требований прикатывания посевов (рис. 1.).

Fbäj/ышх энергетических и щюнспортначпехнатоанест средств

| llöuxufnenu и опарно-хйоРые системы

Выкроенное j

Уплотнение почВы

п

I Уборочная техника] 1 Транспорта средств]

Метам

\ ПочЬофюттели}

Под углам спаи ^¿юициэме^

Qucku 11 Цилиндры \ | СпиоааА—

\Конические\-\Цилиндоические\-

[Хощсные\—

\Г/юдкие\

\Го<!рро6анны^

\Пр$)ткобые |

рлпнчпгпм

\Фроташюе | без скольжения'

аходные [—

j Цилиндрически.gj— \Конические\—

^Стчатые] \"многошодныеу ^(ащенщ]ческие\

---С - ----

[Чистки I [_В»тзе_ £псроложенце] j

J Коле

}зинты! ь&тюлл

[Обрезиненноё] \ПусттппелаяпруВо

\Гермепгн>а^

РезулруЕмае дЛлешеу

| Регулируемое умопнение\

л

\ Регулируете акючии&ие|

йнаочищение за счет схолхенщ аЗВига разлап | разрыСа и шерщвшх cm

I

Рис. 1 - Схема принципиального решения проблемы уплотнения почвы повышенной влажности

Из проведенного информационного поиска и обработки результатов научных исследований, выполненных до настоящего времени, следует, что значимость строжайшего соблюдения агротехнических требований, предъявляемых к ложу для высеянных семян и надсеменному слою, чрезвычайно важны и принципиально необходимы. Неукоснительность исполнения агротехнических требований в момент посева обусловлена значительным повышением урожайности. В этом направлении достигнуто многое, но все это имеет отношение только в том случае, если почвенный слой находится в физически спелом состоянии. В состоянии повышенной влажности для современных катков не представляется возможным создать необходимую плотность почвенного покрова семян. Исходя из вышеизложенного, в работе поставлены задачи исследования, которые изложены выше.

Во второй главе «Математическая модель пневматического спирального катка, взаимодействующего с почвой повышенной влажности» обоснованы ¡1 предлагаются технология уплотнения взрыхленного слоя почвы повышенной влажности и конструкция спирального пневматического самоочищающегося катка сверхнизкого давления.

Предлагаемый спиральный пневматический каток состоит из эластичной шины, размещенной на ободе, выполненном в виде спирали, закрепленной посредством спиц на оси катка. Спиральная шина представляет пустотелую эластичную трубу, заглушённую с обоих торцов. На одном торце установлено устройство регулировки давления воздуха внутри шины.

Внутри шины поддерживается такое давление воздуха, которое обеспечивает усадку шины действием веса сеялки, воспринимаемого катком. Устанавливаемое давление воздуха обеспечивает вертикальную усадку шины и ее трансформацию в месте взаимодействия с почвой из круглой формы в эллиптическую. В результате этого площадь пятна контакта каждого витка спирали существенно увеличивается, а удельное давление на почву, а следовательно, и липкость почвы уменьшаются (рис.2).

Одновременно с усадкой шины /гуш наблюдается и усадка почвы /гу„, находящейся под пятном контакта спирали. Почва под воздействием опорной поверхности шины проседает и образует колею глубиной /г . Шина принимает форму эллипса с

размерами с и Ьэш, а ее поверхность контакта также форму эллипса, но с размерами 1пк и Ъпк. Уплотненный контактный слой почвы повышенной влажности прилипает к шине катка на участке контакта площадью л х(1„к / 2) х (Ьпк /2).

Любой элементарный участок поверхности контакта шины в результате качения спирального катка под углом атаки движется в горизонтальной плоскости по дну колеи со скоростью скольжения катка относительно поверхности поля. После прекращения контакта с дном колеи элементарный участок шины мгновенно переходит от движения по горизонтальной прямой к движению по траектории циклоиды. Это происходит в виде резкого отрыва элементарного участка поверхности контакта шины от налипшей твердой почвенной корки.

В процессе движения по циклоиде, особенно в момент перехода от прямолинейной траектории к криволинейной, каждый элементарный участок рабочей поверхности спиральной шины перемещается с ускорением и характеризуется структурными

составляющими V , У2 скорости V и ах,ау,а2 ускорения а (см. рис. 2) в пространственной системе координат ОХУ2 (рис. 3).

СО

Рис. 2 - Схема к кинематической характеристике взаимодействия спиральной шины с почвой

Ьг*

%

Для изыскания потенциальных возможностей работы без залипания предлагаемого пневматического спирального катка сверхнизкого давления на почвах повышенной влаж-

ности разработаны конструкционная и кинематическая математические модели исследуемого техшгческого средства, а также математическая модель энерготехнологических элементов технологического процесса. Основой математической модели конструкции спирального пневматического катка послужили параметрические уравнения качения спирали по плоской поверхности под углом атаки /? к направлению поступательного движения (рис. 3).

В физической модели катка (в работе использована только система единиц измерения СИ) математическая спираль АА{ представляет продольную осевую линию спиральной шины. Рабочая поверхность спиральной шины представлена каналовой поверхностью, описанной радиусом вокруг математической спирали ЛЛ\ ( рис. 2). Таким образом, в аналитических расчетах реализована возможность придания физической модели катка необходимых конструктивных параметров (Яс- радиус спирали, Ь8- шаг спирали, II- угол спирали, Ы- число заходов спирали, Ко - радиус обода спирали, Яш - радиус спиральной шины, СО - частота вращения, V - скорость движения, ¡3- угол атаки и т.д.). Характеристики движения математической спирали тождественно описывают кинематические и динамические характеристики работы спиральной эластичной пустотелой трубы (шины), являющейся рабочим элементом катка сверхнизкого давления.

гхЛ

V, У1

Рис. 3 - Схема к разработке математической модели качения спирального катка

О

В начальной стадии уплотнения почвы повышенной влажности шиной сверхнизкого давления поверхность шины в области пятна контакта смещает почвенные слои по вертикали вниз. Под пятном контакта образуется липкая почвенная корка, плотность которой уменьшается по глубине уплотненного слоя (рис. 4, а). В промежуточной стадии взаимодействия усаженной шины /гш (рис. 2) с уплотненной почвенной коркой поверхность шины скользит, преодолевая силы липкости скольжения, по почвенной корке, представляющей дно бороздки. В момент прекращения контакта элементарного участка с дном бороздки почвенная корка за счет силы липкости поднимается вместе с поверхностью шины, испытывая одновременно силы сцепления с нижерасположенными, более рыхлыми слоями (рис. 4, б).

/ ХгшАия&Х ' ¥ '

Рис. 4 - Схема уплотнения и последующего послойного разрыва надсе-менного слоя почвы повышенной влажности

При наличии значительных сил липкости между почвенной коркой и поверхнос1ью контакта шины вмес!с с участком шин поднимается почвенная корка определенной толщины. Толщина корки определяется предельным напряжением в горизонтальной плоскости разрыва почвы и местоположением этой плоскости в уплотненном слое в вертикальном направлении. Толщину налипшей почвенной корки И^ определяют сила веса , сила сцепления С„, уплотненного слоя, а также сила

инерции Су, действующая на поднимаемый пласт, расположенный под плоскостью разрыва.

Существенным фактором, обеспечивающим эффективное очищение гладкого катка от налипшей почвы, является проскальзывание по уплотненной поверхности почвы — «юз в допустимых пределах». В предлагаемом катке это решено в результате совмещения (сближению) продольной оси проекции рабочей ветви спирали на горизонтальную плоскость с направлением движения агрегата (уменьшением угла а, рис. 5).

Изменяя направление и величину угла подъема спирали {У совместно с углом атаки спирального катка /?, можно достичь необходимого варианта воздействия рабочей поверхности спиральной пневматической шины катка на надсеменной слой почвы: щадящего уплотнения почвы и скольжения вдоль следа пятна контакта спирали; щадящего уплотнение почвы и скольжения под углом к направлению следа пятна контакта с незначительным смещением почвы боковой поверхностью шины (незначительного выравнивания поверхности поля); щадящего уплотнения почвы, скольжения и значительного смещения почвы (интенсивное выравнивание поверхности поля). Для уплотнения почв повышенной влажности с целью наилучшей очистки

катка от налипшей почвенной корки наиболее приемлемы равные по величине, но противоположные по знаку углы а и /3. Приоритетным по выбору является угол атаки Р, так как он определяет необходимую степень счищающего скольжения катка.

Рис. 5 - Варианты расположения спиралей с противоположными навивками: а - угол наклона продольной оси симметрии проекции рабочей части ветви спирали с направлением поступательного движения катка; ¡3 - угол атаки катка; С/ - угол подъема спирали

Данное совмещение улучшает очищаемость от налипающей почвенной корки пятна контакта спиральной шины о дно колеи, образуемой рабочей частью спирали. В этом случае налипания на боковую поверхности спиральной шины отсутствуют.

Образующаяся под пятном контакта почвенная корка (рис. 6) в месте перехода плоской поверхности контакта дна колеи в исходную форму внешней поверхности шины подвергается интенсивному растяжению, излому и разрыву {<Ур, Сг, а в

последующем и отстреливанию с одновременным отрывом силой инерции Р- от поверхности контакта с катком. Данное техническое решение защищено двумя Свидетельствами на полезную модель, что обусловило необходимость определения и обоснования конструктивных и режимно-технологических параметров спирального катка сверхнизкого давления, способного выдерживать агротехнические требования прика-тывания посевов на почвах повышенной влажности с учетом механического состава и

Рис. 6 - Схема силового взаимодействия пневматической шины спирального катка с почвой повышенной влажности

Условия самоочищения шины от налипающей почвенной корки с позиций силового их взаимодействия рассмотрены с учетом сил липкости скольжения ЯСк и липкости отрыва Л01п, сопротивления отрыву, обусловленного силой сцепления почвенных агрегатов, вызываемой влажностью единичного слоя, контактируемого с почвенной коркой, поднимающейся вместе с поверхностью шины, силой инерции Р- и силой веса б также стремящихся отделить контактный слой от почвенной корки. Сумма

состояния уплотняемых почв.

сил Ки,, Р^ и С формирует силу Ротр, которая стремится оторвать единичный контактный слой от почвенной корки, прилипшей к поднимающемуся участку поверхности спиральной шины, а проекция вектора липкости Л почвенной корки на линию действия вектора Ротр препятствует отрыву единичного контактного слоя при условии достаточной связи с почвенной коркой. Единичный контактный слой всегда присутствует в составе почвенной корки, если выдерживается условие неравенства

Я > Р

от отр'

В общем виде математическая модель пятна контакта записывается в виде:

где О - вес, действующий на ось спирали, Н; руд - удельное давление, действующее в области пятна контакта, Па; 1\с - высота шины после усадки, м. Для решения системы уравнений применен численный метод Ньютона.

Из анализа зависимости изменения параметра пятна контакта пневматической шины спирального катка (рис. 10) следует, что с уменьшением давления воздуха внутри шины ширина контактной зоны сначала незначительно уменьшается, а затем возрастает до максимального значения. Минимальные значения давления воздуха в камере соответствуют минимальным значениям твердости уплотняемого слоя почвы.

Рис. 7 - Изменение ширины пятна контакта спирали в зависимости от внутрикамерного давления и * радиуса катка

I

| Влияние размера радиуса спира-

I ли (пневматического катка) на шири-

| ну пятна контакта спирали идентично

з влиянию давления воздуха в шине.

Рациональными параметрами внут-ришинного давления и радиуса спирали катка для получения максимальной ширины пятна контакта при минимальных размерах конструкции являются в пределах 0,7...1,0 МПаи 25...35 см соответственно.

Расчет сил, составляющих удельное сопротивление движению экспериментального пневматического катка, ведется относительно одного витка спирали. Силу сопротивления почвы сдвигу фронтальной частью пневматической спирали можно найти по следующей формуле: Рсд = Бк ■ ксд, (2) где Бк - площадь поперечного сечения колеи, образуемой эластичной трубой спирального катка;

Радиус 0.8 ХХ-спирали, м 05

3 -0.5 " воздуха, МПа

ксд - удельное сопротивление почвы горизонтальному сдвигу, Па. Площадь поперечного сечения колеи, образуемой эластичной трубой спирального катка

к

к

5к = | ж ■ ап5 ■ Ьт , (3)

где /г - глубина колеи от эластичной трубы спирали, м; ат - большая полуось

поперечного эллипса, в который превращается круглое сечение ненагруженной трубы; Ьт - малая полуось эллипса в сечении осаженной шины спирали.

Сила сопротивления трению и липкости сдвига Р^^ перемещению поверхности пятна контакта спиральной трубы относительно дна колеи определяются по зависимостям соответственно:

ЪЪ

ПК

?<п = / • I я- • а -Ъ (4)

V у т ^ пк пк у '

где /7 - трение эластичной трубы о почву; Ъпк - малая полуось пятна контакта спиральной шины с дном колеи; апк - большая полуось пятна контакта спиральной шины с дном колеи

ЪЬ

ПК

и рЛсд = Лгг) ■ I п ■ апк ■ Ьпк > (5)

со 0

где Л . - липкость при скольжении шины по дну колеи, выполненной в почве со

повышенной влажности, Па.

В зоне прекращения контакта шины с дном колеи, отрыва и подъема с ускорением налипшей почвы на поднимающийся элементарный участок поверхности шины действуют силы сопротивления изгибу Яизг, весу Опп и силе инерции на-

липшего почвенного слоя. Сила сопротивления изгибу:

ризг = Ьпп-Ьпп'3р> (6)

где Ьпп - ширина налипшего почвенного пласта; Ьпп - толщина налипшего почвенного пласта; 8 - предельное удельное сопротивление разрыву пласта, Па.

В зависимости (6) используются эмпирические данные (представлены в четвертой главе диссертации), полученные по методике многофакторного планирования экспериментов.

Удельное тяговое сопротивление одного витка спиральной шины в процессе уплотнения почвы и самоочистки от налипшей корки:

/г + /7 + г + р

Г> сд' •* (р 1 1 Лек *■ отр

«и) =-—~т;—->

где Ротр - сила, которая стремиться оторвать поднимаемый объем налипшей почвы

от шины в момент подъема элементарного участка над пятном контакта (рис. 6). Отрыв почвенной корки от поверхности шины происходит при условии (рис. 6):

лЙ

2 + Kb = Gnn ■ cos + Кзг • cos vr + Fi ■ C0S va > (9)

сд ~ ^nn W5VJT 1хизг vr -г*] va' где A0 - липкость отрыва, Па; Лсд - липкость сдвига, Па; vg - угол между направлением действия силы веса поднимаемого объема фрагмента почвенной корки и направлением действия силы ее отрыва, градус; v(. - угол между направлением действия силы сопротивления изгибу фрагмента почвенной корки и направлением действия силы ее отрыва, градус; va - угол между направлением действия силы инерции фрагмента почвенной корки и направлением действия силы ее отрыва, градус.

Условие самоочистки, кроме наличия вышеотмеченных сил, обеспечивается необходимым ускорением поднимаемого пласта

Gnn • cos v + ^ ■ cos vr - т]л1+А1а

апп =-s-—--, (10)

cos va-Mnn

где М т = Ъпп -hm ■ llm ■ т уа , масса объема почвенного пласта, испытывающего воздействие ускорения в момент отрыва элементарного участка спиральной шины от уплотненного дна бороздки.

Фактором устойчивой самоочистки катка от налипающей почвы является управляемый и доминирующий параметр - сила инерции Fj. Ускорение движения элементарного участка поверхности эластичной спиральной трубы ат= fv(R,/3s,U,G),T],f3,f) зависит от механического состава и состояния (повышенной влажности) почвы устанавливаемых конструктивно-технологических и режимных параметров спирального пневматического катка.

Функция оптимизации в схематическом виде может быть представлена как:

(Я,/Ь,1/, «;,»/,£, О е fQnm

G,m 'C0S Vg + 'C0S vr ~ V"£ + id cosva ■bnn-hnn-lnn-myd

>min. (11)

Сущность новизны технического решения состоит в том, что с повышением влажности почвы давление воздуха внутри спиральной шины снижают, а скольжение катка увеличивают, что в совокупности обусловливает значительную предпосылку к отслоению контактной почвенной корки и снижению удельного тягового сопротивления рабочего органа. На участке перехода шины от плоскости пятна контакта к дуге окружности происходит интенсивный пространственный разлом налипшего почвенного слоя. Надежность очистки гарантируется наличием необходимого ускорения элементарных участков шины в момент отрыва от поверхности поля.

Третья глава «Экспериментальные исследования процессов функционирования структурных элементов технологического и силового взаимодействия пневмоспирального катка с почвой повышенной влажности». Первая группа задач экспериментальных и лабораторно-полевых исследований заключалась в эмпирическом выявлении зависимостей липкости сдвига и отрыва, плотности, пределов прочности на разрыв и сдвиг, а также твердости почвенных уплотнений повышенной влажности от содержания влаги, глины, удельной нагрузки уплотнения и глубины залегания интересуемого слоя от поверхности дна колеи под пятном контакта при ме-

ханическом способе очистки спирального пневматического катка сверхнизкого давления от налипшей почвы.

Данные зависимости использованы в математической модели экспериментального катка зерновой дисковой сеялки в процессе исследования силового взаимодействия спиральной шины сверхнизкого давления с разрыхленной почвой повышенной влажности. Использование эмпирических данных позволило достичь оптимальных агротехнических условий и энергетических показателей технологического процесса щадящего уплотнения рыхлого надсеменного слоя повышенной влажности без залипа-ния катка почвой.

Наиболее существенными факторами, влияющими на степень уплотнения рыхлого надсеменного слоя разрыхленной почвы повышенной влажности и сохранение в корнеобитаемом горизонте твердости, необходимой для корней и ростков до появления всходов, являются: механический состав, влажность, твердость, плотность, толщина слоя почвенного слоя, в котором нарастает твердость, а также граничные значения интервала изменения температуры почвы в моменты уплотнения и появления листочков на дневной поверхности.

Экспериментальные данные для определения зависимости твердости почвы от основных факторов состояния почвы и глубины залегания горизонта получены по плану активного четырехфакторного эксперимента. В качестве управляемых факторов приняты: Г - содержание глины, %; - влажность почвы, %; Т - твердость почвы, Па; к - глубина расположения горизонта, см. Опыты реализованы в восьми -кратной повторности. В экспериментах широко использовано тензометрирование.

Сущность метода определения твердости почвы с учетом размещения горизонта по глубине: конус погружается в почву и испытывает сопротивление, которое воспринимается тензодатчиком, преобразуется АЦП и регистрируется ПК в программе ЕхсеИ.

Сущность метода определения липкости отрыва и скольжения уплотненного контактного слоя почвы: на подготовленную по механическому составу, твердости и влажности почву помещают пластину, содержащую на опорной стороне резиновое покрытие и прижимают ее с требуемым усилием. Затем нагрузку снимают и посредством винтового механизма через тензобалочку: в одном случае отрывают под углами, указанными в плане экспериментов, а в другом случае - сдвигают полозок. Усилия, воспринимаемые тензодатчиком, преобразовывались АЦП и регистрировались ПК в программе ЕхсеП.

Сущность метода определения пределов прочности почвы на комплексный разрыв и сдвиг заключается в том, что почвенный образец формируется в соответствии с планом четырехфакторного эксперимента, в котором входными факторами являются: механический состав, влажность, твердость почвы, а также направление действия силы разрыва образца. Почвенный образец содержит шейку запрограммированного разрыва, соединенную с круглой головкой, на которую от тензометрической баночки действует растягивающее усилие (рис. 8). Усилия, воспринимаемые тензодатчиком как и в предшествующих случаях, преобразовывались АЦП и регистрировались ПК в программе ЕхсеН.

Агротехническая и энергетическая оценка работы по уплотнению почвы повышенной влажности в полевых условиях выполнена с использованием тензометриче-ского катка, установленного на раме экспериментальной сеялки посредством специ-

ального кронштейна, обеспечивающего возможность регулировки вертикальной нагрузки на каток со стороны сеялки, а также угла атаки катка к направлению движения агрегата (рис. 9). Эксперименты также проведены с целью определения зависимостей конструктивно-технологических и режимных параметров пневматического спирального катка на агротехнические и энергетические параметры работы экспериментальной сеялки СЗ - 3,6 ПСК.

Рис. 8 - Экспериментальный комплекс определения физико-механических характеристик почвы: определения твердости; липкости отрыва и сдвига; предельного напряжения разрыва и сдвига почвы

Полевые испытания экспериментальной сеялки СЗ - 3.6 ПСК проведены в соответствии с ОСТ - 85.1.24-05, в процессе которых определены статистические характеристики по равномерности и выдерживанию заданного режима уплотнения надсеменного слоя, выравниванию поверхности поля по следу посевного агрегата, агрегатному составу почвы, степени самоочистки экспериментального катка от почвы повышенной влажности.

ж Ж

Рис. 9 - Мобильная полевая тензометрическая установка: а - тензометрирование экспериментального катка в полевых условиях; б - принципиальная схема тензомет-рической установки; в - схема установки экспериментального катка на сеялке

В четвертой главе «Результаты лабораторных, полевых экспериментов и хозяйственных испытаний процессов взаимодействия рабочей поверхности пневматического спирального катка с почвой повышенной влажности» представлены материалы, полученные в процессе реализации планов многофакторных и классических экспериментов с применением оригинальных и стандартных методик, технических средств, приборов, оборудования и устройств.

Результаты лабораторных экспериментальных исследований. Уравнение регрессии изменения твердости уплотненной почвы по глубине получено в виде

, которое в графическом виде представ-

У = ВО + £ Вг XI + ]Г Вп ■ X и • V Я:/ ■ Л7 • X]

Ы\ : = 1 К)

лено на рис. 10 и 11.

Изменение твердости

т.

V

л. а

хг

Коэффициенты

-О—С1_

Рис. 10 - Значимость коэффициентов уравнения регрессии зависимости изменения твердости уплотненного почвенного слоя

"¥Т

Статистическая характеристика регрессионной модели изменения твердости почвы характеризуется следующими данными: коэффициент детерминации кО= 91,28; коэффициент корреляции Г= 0,955; табличное значение критерия Фишера Рта6л = 2,770; расчетное значение критерия Фишера Ррасч = 8,195; значение коэффициента Стьюдента на 5% - ном

уровне /= 2,064. Из анализа уравнения регрессии следует, что главное влияние на величину твердости почвы на рассматриваемой глубине оказывает удельное давление Х3, с которым уплотняется надсеменной слой и затем глубина Х4 расположения измеряемого слоя, а также парное взаимодействие факторов содержания глины Х] и глубины расположения слоя Х4, удельное давление Хъ и глубина Х4.

8 г

Рис. 11 - Зависимости твердости почвенного слоя от влажности почвы и глубина горизонта

Графическое интерпретация математической модели изменения липкости почвы от влияния принятых в эксперименте факторов представлена на рис. 12 и 13 Статистическая характеристика регрессионной модели изменения липкости почвы характеризуется следующими данными: ко-] эффициент детерминации кО=83,62; коэффициент корреляции г= 0,914; табличное значение критерия Фишера Ртабл = 2,770; расчетное значение критерия Фишер^ Ррасч= 4,360; значение коэффициента Стьюдента на 5% - ном уровне / = 2,064.

Из анализа математической модели изменения липкости почвы следует, что на липкость уплотненной почвы в наибольшей степени оказывает влияние влажность почвы Х2 и удельное давление Х3 при уплотнении. Интенсивность изменения плотности, в основном, определяется количеством глины в почве.

Липкость почвы

_п____ -

п I 1

8 Г а а V § а г Г И и Ь Т 8 8 Ш

Рис. 12 - Значимость коэффициентов уравнения регрессии зависимости липкости уплотненного почвенного слоя

Коэффициенты

Изменение липкости почвы наблюдается от парного взаимодействия количества глины Хх в почве и направления действия силы отрыва X 4 почвенной корки от поверхности шины, количества влаги X, и удельного давления X3 при уплотнении, содержания глины Х] и удельного давления Х3 при уплотнении, количества глины Х] и содержания влаги Х2, удельного давления Хъ при уплотнении и направления действия силы отрыва Х4 почвенной корки от шины.

Рис. 13 - Зависимость липкости почвы от влажности почвы и нагрузки уплотнения

Графическая интерпретация математической модели удельного сопротивления почвенной корки разрыву

представлена на рис. 14, 15 и 16. Статистическая характеристика регрессионной модели удельного сопротивления почвенной корки разрыву: коэффициент детерминации кИ= 93,75; коэффициент корреляции г- 0,968; табличное значение критерия Фишера Ртабл = 2,770; расчетное значение критерия Фишера Ррасч = 11,433; значение коэффициента Стьюдента на 5% - ном уровне / = 2,064. Из анализа зависимости следует, что на удельное сопротивление почвенной корки разрыву наибольшее влияние оказывает направление действие силы разрыва Х4 и удельное давление Х3 уплотнения почвы, в меньшей степени количество влаги в почве Х1 и в незначительной степени - количество глины Х^ в почве.

Из коэффициентов факторов взаимодействия следует отметить, что наибольшее влияние оказывает коэффициент при факторах удельного давления при уплотнении взрыхленного слоя Х3 и направления действия силы разрыва Х4. Коэффициенты при факторах взаимодействия влажности почвы Х2 и направления действия силы разрыва Х4, а также при факторах взаимодействия влажности почвы Х2 и удельно-

-0,4 Удельное давление, МПа

го давления при уплотнении взрыхленного слоя Х3 составляют 30% от величины коэффициента при факторах взаимодействия удельного давления при уплотнении взрыхленного слоя X3 и направления действия силы разрыва X^.

Напряжения растяжения

Рис. 14 - Значимость коэффициентов уравнения регрессии удельного сопротивления почвенной корки разрыву

Коэффициент при факторах взаимодействия содержания глины и направления действия силы разрыва составляет 20% от максимума при факторах взаимодействия удельного давления при уплотнении взрыхленного слоя Х^ и направления действия силы разрыва Х4.

— .— -- -----------------

:ТпП:

тгПтг тг-пТИГ-

т со т т

ш ей т I Коэффициенты

ш

§ 1.0 ^

Содержание ' глины, %

Влажность, %

Влажность, %

Направлен действ с разрыва, град

Рис. 15 - Зависимость предела прочности почвы на разрыв от содержания глины и нагрузки уплотнения

Рис. 16 - Зависимость предела прочие ста почвы на разрыв от влажности поч вы и напоавление действия силы отоывг

В результате обработки экспериментальных данных агротехнической оценки работы спирального катка было установлено, что угол атаки спирального катка /3 (рис. 17) при минимальных и максимальных значениях способствует повышению равномерности уплотнения почвы спиральным пневматическим катком сверхнизкого давления до уровня 65...75. Угол атаки /? в пределах 17...23° обусловливает равномерность уплотнения в пределах 45.. .55.

Увеличение значения угла спирали II на всем интервале варьирования сопровождается снижением равномерности уплотнения от 1,00 до 0,45. Оптимальным коэффициентом равномерности уплотнения следует считать значения в пределах 0,75. ..0,85. Таким значениям соответствует угол спирали в пределах 7. ..10°.

По результатам обработки экспериментальных данных тяговых испытаний спирального пневматического катка (рис. 18) было установлено, что наибольший

рост удельного тягового сопротивления катка (до 300 Н/ ) происходит при увели/ м

чении усадки спиральной шины (с 10 до 40 мм) и угла атаки катка (с 5 до 35°).

I * От усадж

V :

радиуса им« гЪ

»•и !

-0,75 -0.5 -0.25 0 0,25 0,5 0,75

-1 -0,75 -0,5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 Значения фмторо*

V

У -

— • От усадки

ШМ>)1в

I —» -Отрадиуса | — От уггв

-0.75 -0,5 -0.25 0 125 0,5 0,75

Знамвмия фвггоров

Рис. 17 - Зависимости агротехнических показателей работы спирального пневматического катка

Рис. 18 - Зависимости тягового сопротивления спирального пневматического катка

• От^гла сгмрат и

-От угла атаки 9

•0,5 О Значения факторов

Увеличение радиуса шины (с 20 до 50 мм) и угла спирали (с 5 до 15°) обеспечивают снижение удельного тягового сопротивления катка на 100...250 Н/ .

/ м

В пятой главе «Экономический эффект от применения катков с рабочим органами, позволяющими качественно выполнять операции на почвах с повышенной влажностью» установлено, что в регионе Восточного Оренбуржья в первую половину выполнения полевых работ посевной слой значительное время находится в переувлажненном состоянии и состоянии повышенной влажности почвы и поэтому агрегаты простаивают, а в последнюю декаду, особенно последние 7...8 дней мая, посев семян осуществляется в иссушенную почву. Первое и второе события приводят к потерям урожая.

По причине переувлажнения почвы суммарный простой агрегатов составляет 5... 10 дней. При использовании машин с предлагаемыми рабочими органами достигается возможность проведения посева зерновых в оптимальные агротехнические сроки и создания условий для получения и сохранности всего высокого урожая. По

данным анализа хода полевых работ видно, что за пределами оптимального срока проводится сев на площадях в 25.. .30 % объема всех работ.

Недобор урожая от затягивания сроков посевных работ ликвидируется при применении машин с новыми рабочими органами. Сумма в размере 99607.2 руб является экономическим эффектом (прибылью) от применения конструкции пневматического экспериментального спирального катка посевного агрегата, состоящего из трех сеялок СЗС - 3,6 ПСК. Кроме того, при применении пневматического спирального катка получается экономия топливо-смазочных материалов за счет снижения тягового сопротивления и веса агрегата еще 2870 руб.

Срок окупаемости изготовленной конструкции (пневматического спирального катка) равен 1,18 сезона.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. При посеве необходимо уплотнение надсеменного почвенного слоя, поэтому современные почвообрабатывающие и посевные машины в своей конструкции обязательно содержат прикатывающие рабочие органы. Прикатывающие рабочие органы предусмотрены для работы на физически спелых почвах. От 15 до 65% периода оптимального срока посева характеризуется состоянием повышенной влажности почвы, сдерживающей проведение посевных работ, что обусловливает качественную и количественную потерю выращенного урожая.

2. Для уплотнения рыхлого надсеменного почвенного слоя повышенной влажности при посеве зерновых предложен экспериментальный спиральный пневматический каток сверхнизкого давления, обеспечивающий самоочищение от налипшей почвенной корки за счет: интенсивного скольжения опорной поверхности спирали по уплотненному слою почвы; совмещения продольной оси пятна контакта спирали с направлением движения агрегата; интенсивного крошения налипшей почвенной корки в месте прекращения контакта опорной поверхности спирали с поверхностью поля в продольных и поперечных плоскостях; отталкивания фрагментов почвенной корки от поверхности спирали при переходе ее с радиуса усадки на радиус спирали; отслоения за счет действия сил сопротивления изгибу, веса и инерции.

3. Предложенная математическая модель пневматического катка позволяет определять оптимальные конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры воздействия спиральной шины на почву с учетом ее влажности, механического состава и плотности.

Новизна конструкции и работы экспериментального пневматического катка состоит в реализации самоочищения от налипающей почвы в результате: регулирования степени скольжения катка в пределах 1,05... 1,35 посредством изменения его угла атаки в пределах 0...40"; изменения удельного давления пятна контакта шины на поверхность поля в пределах 0,17....0,35 кПа и липкости почвы в пределах 0,032...0,045 кПа посредством изменения шага спирали в пределах 0,09...0,23 м, радиуса спирали в пределах 0,21 ...0,32 м, радиуса шины в пределах 0,020...0,045 м.

4. Оптимальными конструктивно-технологическими и режимными параметрами пневматического спирального катка для глинистых и суглинистых черноземов являются: радиус катка в пределах 250...350 мм, радиус шины спирали в пределах 35...50

мм, шаг спирали в пределах 120... 190 мм, угол атаки катка в пределах 15...25°, давление воздуха в шине спирали в пределах 0,2...0,9 атм.

5. При оптимальных значениях конструктивно-технологических и режимных параметров достигаются агротехнические показатели: равномерность уплотнения, греб-нистость 0,010...0,025 м, крошение 74...88%, залипаемость спиральной шины в пределах З...6%. При этом удельное тяговое сопротивление спирального пневматического катка находится в пределах 0,4...0,55 кН/м.

6. Для дальнейших исследований целесообразно изучить взаимную связь между влажностью, механическим составом, твердостью, плотностью, порозностью и удельным сопротивлением почвы уплотнению почвы в режиме повышенной влажности.

7. Экономическая эффективность применения пневматических спиральных катков на зерновой сеялке СЗП - 3,6 ПСК характеризуется дополнительной прибылью в 975 рублей на гектар и окупаемостью капитальных вложений за 1,18 сезона.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Цибарт, Э.А. Спиральная конструкция катка для уплотнения почвы н исследование режимов его работы. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин, З.И. Сарина / Журнат «Механизация и электрификация сельского хозяйства». 2002, №7.

Свидетельства на полезную модель

2. Цибарт, Э.А. Каток. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин, З.И. Сарина/Свидетельство № 8204 на Полезную модель. Бюлл. № 11, 1998.

3. Цибарт, Э.А. Каток. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин, З.И. Сарина / Свидетельство № 9117 на Полезную модель. Бюлл. № 28, 1999.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференции

4. Цибарт, Э.А. Предпосылки к разработке конструкции катков стерневых сеялок для работы на переувлажненных почвах. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин, З.И. Сарина / //Внутривуз. сб. науч. работ, ч 1. Оренбург, 1996. Научно-практич конф сотруд. и препод, факульт мех сель х-ва. //Актуальные вопросы сельскохозяйственного производства. - Оренбург, ОГАУ, 1996.

5. Цибарт, Э.А. Определение рациональных параметров технологического процесса уплотнения переувлажненных почв. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин, З.И. Сарина///Внутривуз. сб. науч. работ. т2. Оренбург, 1998. Научно-практич конф сотруд. и препод, факульт мех сель х-ва.// Актуальные вопросы сельскохозяйственного производства. - Оренбург, ОГАУ, 1998.

6. Цибарт, Э.А. Каток для уплотнения переувлажненных почв. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин,

3.И. Сарина / //Внутривуз. сб. науч. работ. т2. Оренбург, 1998. //Научно-практич конф сотруд. и препод, факульт мех сель х-ва. Актуальные вопросы сельскохозяйственного производства. - Оренбург, ОГАУ, 1998.

7. Цибарт, Э.А. Определение конструктивно-технологических параметров и режимов работы спирального катка. / Э.А. Цибарт, A.C. Путрин, З.И. Сарина / //Внутривуз. сб. науч. работ, т

4. Оренбург, 2000. Научно-практич конф сотруд. и препод, факульт мех сель х-ва. //Актуальные вопросы сельскохозяйственного производства. - Оренбург, ОГАУ, 2000.

8. Путрин, A.C. Обоснование математической модели оптимальной нагрузки при уплотнении переувлажненных почв. / A.C. Путрин, З.И. Сарина, Т.А. Терновая, В.Н. Варавва / //Внутривуз. сб. науч. работ. Оренбург, 2005. //Научно-практич конф сотруд. и препод, факульт мех сель х-ва. Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК. - Оренбург, ОГАУ, 2005.

ИЗБАСАРОВА Зауреш Исмарзасвна

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПИРАЛЬНОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КАТКА ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Специальность: 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.05.09. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Печать оперативная. Бумага офсетная. Заказ № 3332. Тираж ] 00 экз.

Издательский центр ОГАУ 460795, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18. Тел.: (3532) 77-61-43

Отпечатано в Издательском центре ОГАУ

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Избасарова, Зауреш Исмарзаевна

1. Проблемы механизации посева зерновых при неблагоприят- 9 ных погодно-климатических условиях

1.1. Оптимальные сроки посева зерновых и необходимость их со- 9 блюдения.

1.2. Характеристика атмосферных осадков в период выполнения 13 посевных работ на территории Восточного Оренбуржья.

1.3. Обзор технологических процессов и вариантов технического 15 исполнения рабочих органов современных почвообрабатывающих и посевных машин и комплексов.

1.4. Обзор рабочих органов катков, используемых на почвообраба- 27 тывающих и посевных машинах и комплексах.

1.5. Обзор теоретических исследований процессов взаимодействия 34 катков с почвой.

1.6. Анализ технологических процессов уплотнения почв повы- 38 шенной влажности и технических средств их реализации.

1.7. Обоснование задач исследований

2 Аналитическое описание взаимодействия пятна контакта 47 спиральной шины катка с почвой повышенной влажности

2.1. Обоснование технологического процесса и технического сред- 47 ства с регулируемыми параметрами щадящего уплотнения над-семенного слоя почвы повышенной влажности

2.2. Обоснование модели уплотнения с последующим разрывом 54 почвы повышенной влажности поверхностью элементарного штампа.

2.3. Анализ процесса усадки спиральной шины.

2.4. Базовые элементы математической модели конструкции спи- 64 рального катка.

2.5. Кинематическая характеристика элементарных точек исполни- 67 тельной поверхности спирального катка при его перекатывании по поверхности поля.

2.6. Кинематическая модель процесса взаимодействия спирального 74 пневматика с почвой.

3. Экспериментальные исследования процессов функциониро- 81 вания структурных элементов технологического и силового взаимодействия пневмоспирального катка с почвой повышенной влажности

3.1. Обоснование задач, общей методики и анализа требований, '81 предъявляемых к техническим средствам лабораторных экспериментальных исследований

3.2. Обоснование, выбор параметров и уровней их варьирования.

3.3. Техническое обеспечение лабораторных исследований.

3.4. Энергетические лабораторно-полевые испытания пневматиче- 105 ского спирального катка.

3.5. Методика агротехнической оценки работы экспериментального 115 катка.

4. Результаты лабораторных, полевых экспериментов и хо- 119 зяйственных испытаний процессов взаимодействия рабочей поверхности пневматического спирального катка с почвой повышенной влажности

4.1. Изменения твердости почвы по глубине в зависимости от ме- 119 ханического состава, влажности и нагрузки уплотнения.

4.2. Анализ закономерностей липкости.

4.3. Зависимости изменения предельного напряжения почвы разры- 130 ву.

4.4. Зависимости изменения ширины пятна контакта спиральной 136 шины пневматического катка.

4.5. Результаты обработки экспериментальных данных агротехни- 138 ческой оценки работы экспериментального катка.

4.6. Результаты обработки экспериментальных данных энергетиче- 147 ской оценки работы экспериментального катка.

5. Экономическая эффективность применения спиральных 149 пневматических катков на зерновых сеялках при посеве в почву повышенной влажности.

Введение 2009 год, диссертация по процессам и машинам агроинженерных систем, Избасарова, Зауреш Исмарзаевна

С развитием научно-технического прогресса в растениеводстве все большее значение имеет адаптация параметров технологических процессов и средств механизации к природно-климатическим и почвенным условиям богарного земледелия. Полноценному достижению преимуществ адаптивного земледелия в сухостепной зоне РФ способствует соблюдение оптимальных агротехнических сроков посева, что необходимо для повышения урожайности в результате продуктивного и рационального использования ранневесен-них запасов почвенной влаги, а также сохранению качества собранного урожая в результате обеспечения своевременного проведения уборочных работ.

При использовании высокопроизводительных машин и агрегатов точного земледелия простои в течение нескольких часов недопустимы, а проведение полевых работ за пределами агротехнических сроков приводит к прямым и косвенным потерям урожая на многие сотни миллионов рублей. Тем не менее, на посеве зерновых от 15 до 65% времени, оптимального по агротехническим срокам, посевные агрегаты простаивают по причине повышенной влажности посевного слоя.

Современные бороздообразующие и уплотняющие рабочие органы зерновых сеялок на физически спелых почвах обеспечивают качественное формирование семенного ложа и уплотнение надсеменного слоя, но при повышении влажности рабочие поверхности катков залипают и нарушают технологический процесс посева.

С целью исключения простоев посевных агрегатов и комплексов в ожидании физической спелости почв предлагается для уплотнения надсеменного слоя использовать пневматические спиральные самоочищающиеся катки.

Цель решения этой проблемы заключается в разработке конструкции, определении параметров и режимов работы прикатывающего рабочего органа посевных комплексов, при которых возможно качественное выполнение уплотнения почв повышенной влажности без сдерживания работ ожиданием отсутствия липкости почвы.

Цель исследования - обосновать и разработать каток для уплотнения рыхлых почв повышенной влажности при посеве зерновых культур, а также определить его конструктивно-технологические и режимные параметры.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Выявить факторы, способствующие снижению налипания и активизации отрыва почвенной корки от рабочей поверхности прикатывающих рабочих органов, разработать техническое средство, обеспечивающее возможность достаточного уплотнения разрыхленного слоя почвы повышенной влажности без залипания катка.

2. Разработать математическую модель уплотнения почвы и на основе экспериментальных данных, полученных в лабораторных и полевых условиях, а также методов численного анализа реализовать возможность использования ее для оптимизации конструкционных и эксплуатационных параметров спирального пневматического катка зерновой сеялки с учетом механического состава и повышенной влажности посевного слоя.

3. В полевых условиях проверить работоспособность и эффективность от применения зерновых сеялок, оборудованных предлагаемым спиральным пневматическим катком сверхнизкого давления.

Объект исследования - процесс уплотнения разрыхленной почвы повышенной влажности пневматическим спиральным катком.

Предмет исследования - закономерности щадящего уплотнения рыхлого надсеменного слоя почвы повышенной влажности пневматическим спиральным самоочищающимся катком.

Методика исследования - информационный обзор и анализ прототип-ных научных исследований, а также опыта передовой практики в части технологических процессов и средств механизации посева зерновых в экстремальных условиях, математическое моделирование с применением основных положений земледельческой механики, современной агротехнологии, программного обеспечения компьютерных технологий и основных разделов высшей математики.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель взаимодействия пневматического спирального катка с почвой, находящейся в состоянии повышенной влажности;

- закономерности уплотнения почв повышенной влажности, характеризующие динамику механико-технологического состояния надсеменного слоя;

- методики и технические средства, применяемые в экспериментальных лабораторных и полевых испытаниях предлагаемого пневматического спирального катка зерновой сеялки;

- методика определения оптимальных параметров и режимов технологического процесса уплотнения почв повышенной влажности;

- закономерности определения конструктивно-технологических и режимных параметров пневматического спирального катка.

Практическую ценность работы представляют:

- технологический процесс уплотнения почв повышенной влажности и каток, позволяющие посевным агрегатам выполнять весь объем посевных работ в оптимальные агротехнические сроки и с требуемым качеством;

- математическая модель, а также программа ЭВМ для определения конструктивно-технологических и режимных параметров самоочищающегося пневматического спирального катка с учетом заданного физико-механического состояния посевного слоя почвы;

- конструктивно-технологические и режимные параметры самоочищающегося пневматического спирального катка для черноземных почв регионов неустойчивого увлажнения;

- методика аналитических и экспериментальных исследований, и определения конструктивно-технологических и режимных параметров пневматических катков в качестве пособия для предприятий-изготовителей почвообрабатывающей и посевной техники, а также учебного материала для агроин-женерных специальностей высших учебных заведений.

Реализация результатов исследования. Опытный образец зерновой сеялки СЗП -3,6 ПСК, оборудованной пневматическими спиральными катками, изготовленными на Шильдинском ОАО «Моторемтехсервис» испытан в ОПХ «Советская Россия» и СПК «Теренсайский» Адамовского района.

На защиту выносятся:

- математическая модель взаимодействия пневматического спирального катка с почвой;

- методики экспериментальных исследований физико-механических характеристик почвы с учетом ее состояния;

- методика определения оптимальных параметров технологического процесса уплотнения почвы по характеристикам ее агротехнического и физико-механического состояния;

- конструкция пневматического спирального катка, новизна которого защищена двумя свидетельствами на полезную модель;

- зависимости физико-механических характеристик почвы, от степени механического воздействия уплотняющего технического средства на почву.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры «Эксплуатация МиО и организация* ГТН» ФГОУ ВПО ОГАУ в 1996 - 2008 гг., на ежегодных научно-практических конференциях факультета механизации ОГАУ в 1996 - 2008 гг., региональных научно-практических конференциях и конференциях НТТМ Администрации Оренбургской области.

Публикации. По материалам выполненных исследований получено два авторских свидетельства на полезную модель, опубликовано восемь работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 105 рисунков. Список использованной литературы включает 117 наименований, в том числе 5 на иностранных языках.

Заключение диссертация на тему "Обоснование конструктивно-технологических и режимных параметров спирального пневматического катка для уплотнения почв повышенной влажности"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. При посеве необходимо уплотнение надсеменного почвенного-слоя, поэтому современные почвообрабатывающие и посевные машины;в своей конструкции обязательно содержат прикатывающие рабочие органы. Прикатывающие рабочие органы предусмотрены для работы на физически спелых почвах. От 15 до 65% периода оптимального срока посева характеризуется состоянием повышенной влажности почвы, сдерживающей проведение посевных работ, что обусловливает качественную и количественную потерю выращенного урожая.

2. Для:уплотнения рыхлого надсеменного почвенного слоя повышенной, влажности при посеве зерновых предложен экспериментальный спиральный пневматический каток сверхнизкого давления; обеспечивающий самоочищение от налипшей почвенной корки, за счет: интенсивного скольжения' опорной; поверхности спирали по уплотненному слою почвы; совмещения продольной -оси пятна контакта спирали с направлением движениям агрегата;: интенсивного- крошения налипшей почвенной- корки в месте прекращения контакта опорной поверхности спирали с поверхностью поля в продольных и поперечных плоскостях; отталкивания фрагментов почвенной корки от поверхности спирали при переходе ее с радиуса усадки на радиус спирали; отслоения замечет действия сил сопротивления изгибу, веса и инерции.

3. Предложенная математическая модель пневматического катка позволяет определять оптимальные конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры воздействия спиральной шины на почву с учетом ее влажности, механического состава и плотности.

Новизна конструкции и работы экспериментального пневматического катка состоит в реализации самоочищения от налипающей почвы в результате: регулирования степени скольжения катка в пределах 1,05 . 1,35 посредством изменения его угла атаки в пределах 0.400; изменения-удельного давления пятна контакта шины на поверхность поля в пределах 0,17.0,35 кПа и липкости почвы в пределах 0,032.0,045 кПа посредством изменения шага спирали в пределах 0,09.0,23 м, радиуса спирали в пределах 0,21.0,32 м, радиуса шины в пределах 0,020. .0,045 м.

4. Оптимальными конструктивно-технологическими и режимными параметрами пневматического спирального катка для глинистых и суглинистых черноземов являются: радиус катка в пределах 250.350 мм, радиус шины спирали в пределах.35.50 мм, шаг спирали в пределах 120. 190 мм, угол атаки катка в пределах 15.25°, давление воздуха в шине спирали в пределах 0,2.0,9 атм.

5. При оптимальных значениях конструктивно-технологических и режимных параметров достигаются агротехнические показатели: равномерность уплотнения, гребнистость 0,010.0,025 м, крошение 74.88%, залипаемость спиральной шины в пределах З.6%. При этом удельное тяговое сопротивление спирального пневматического катка находится в пределах 0,4.0,55 кН/м.

6. Для дальнейших исследований целесообразно изучить взаимную связь между влажностью, механическим составом, твердостью, плотностью, по-розностью и удельным сопротивлением почвы уплотнению почвы .'в режиме повышенной влажности.

7. Экономическая эффективность применения пневматических спиральных катков на зерновой сеялке СЗП - 3,6 ПСК характеризуется дополнительной прибылью в 975 рублей на гектар и окупаемостью капитальных вложений за 1,18 сезона. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Библиография Избасарова, Зауреш Исмарзаевна, диссертация по теме Технологии и средства механизации сельского хозяйства

1. Кузнецова М'.К. Виноградов М.А. Исследование процесса уплотнения почвы разными типами катков //Вопросы механизации почвозащитного земледелия. — Целиноград, 1976. с. 40-50

2. Белянкина Наталья Григорьевна. Формирование и развитие рынка пивоваренного ячменя/ Автореф дисс. на соиск уч степени канд. эконом, наук г. Балашиха, 2006г.

3. Рекомендации по организационно-экономическому механизму обновления технической базы сельского хозяйства ВНИЭСХ, М. 2000. Агроклиматические ресурсы Оренбургской области. — Д.: Гидрометеорологическое издательство, 1971, 120 с.

4. Агроклиматический справочник по Чкаловской области. JL: Гидрометеорологическое издательство. 1957, 268 с.

5. Скотников B;A., Машенский А.А., Солонский А.С. Основы, теории и расчета трактора и автомобиля.: Под редакцией В.А. Скогникова. — М.: Агроиромиздат, 1986. 383с.

6. Кацыгин-В.В;, Горин 1Г.С., З'енькович А. А. и др. /Под редакцией Се-вернева. М.М./ Перспективные мобильные энергетические:.средства (МЭС) для сельско-хозяйственного производства. Мн.:. Паука и техника, 1982.-272с.

7. Хархута Н.Я. и ВасильеваТО.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. М.: Транс- ' порт, 1975.-288 с.

8. Кряжков В.М., СпиринА.П., Сизов О:А. Энергетические технологии в земледелии. М.: Информагротех, 1998. — 36 с.

9. Маслов B.C., Климанов А.В. Уплотняющее воздействие ходовых систем машин на почвы Среднего Поволжья. Куйбышев, .1989; 63с.

10. Противоэрозионный каток по № 604523

11. Почвообрабатывающее орудие № 1438637

12. Почвообрабатывающий каток № 2002106662:

13. Байрамгулов Ю;Г. Исследование влияния влажности почвы на нормы выработки и расхода топлива пахотных агрегатов в условиях лесостепи'Башкирской АССР! Автореф. дисс. ктн,-Уфа, 1970, 18с.47