автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора

На правах рукописи □0347ВЭ04

ЛЯХОВ АНТОН ПАВЛОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПРОПАШНОГО КУЛЬТИВАТОРА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

д 7 Г.с М

Ставрополь - 2009

003476904

Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: заслуженный изобретатель РФ,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Руденко Николаи Ефимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Малиев Владимир Хамбпевич

доктор технических наук, профессор Каскулов Мусабпй Хабасович

Ведущая организация: Новокубанский филиал Федерального государственного научного учреждения «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГНУ «Росинформагроггех») — КубНИИТиМ

Защита диссертации состоится « -3 » ркт<яЖл, 2009 г. в часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.062.05 при ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университета по адресу: 355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», с авторефератом диссертации на официальном сайте ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»: http://vwvw.stgau.ru

Автореферат разослан « 3 » сеитигЛ^ 2009 г. и размещен на официальном сайте http://www.stgau.ru « » еен^плЛ^ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент . . В. И. Марченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процесс ухода за посевами пропашных культур включает две-три междурядные обработки с целью создания оптимальных условий для роста и развития растений.

Однако применяемые в настоящее время культиваторы не в полной мере обеспечивают выполнение агротехнических требований, предъявляемых к междурядной обработке.

Работа выполнена в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы (раздел «Техническая и технологическая модернизация сельского хозяйства»), утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.

Цель исследования - обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора, обеспечивающих сохранение почвенной влаги и стабилизацию хода агрегата.

Объект исследования - технологический процесс культивации пропашных культур.

Предмет исследования - закономерности крошения (измельчения) комков почвы, выравнивания поверхности и стабилизации хода культиватора при междурядной обработке.

Методика исследования включала: теоретические исследования процесса крошения почвы и стабилизации поперечных колебаний пропашного культиватора с использованием методов классической механики и математического анализа; экспериментальные исследования с применением современного тензометрического оборудования, методов планирования многофакторного эксперимента, оценки адекватности и достоверности полученных результатов, определения экономической эффективности.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы ударным воздействием при наличии опорного элемента. Определена критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы. Получена эмпирическая регрессионная модель, устанавливающая взаимосвязи между основными параметрами двухъярусного катка секции пропашного культиватора и качественными показателями его работы.

На основе исследований предложены комбинированные рабочие органы, новизна которых подтверждена патентами на полезную модель № 71503, № 78625 и решением ФИПС от 12.12.2008 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007127702/11(030164).

Практическая значимость работы. Предложенные аналитические зависимости и методика расчета могут быть использованы при проектировании комбинированных почвообрабатывающих рабочих органов и расчете конструктивных параметров стабилизирующих элементов пропашных культиваторов.

На защиту выносятся следующие положения:

- перспективная технологическая и конструктивная схемы комбинированного почвообрабатывающего устройства;

- математическая модель процесса крошения почвы;

- конструкция стабилизатора хода пропашного культиватора;

- результаты экспериментальных исследований по обоснованию оптимальных параметров рабочих органов;

- результаты сравнительных полевых исследований предложенных технических и технологических решений и их экономическая оценка.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены и рекомендованы к публикации на научных конференциях СтГАУ (г. Ставрополь, 2008...2009 гг.), ОГАУ (г. Орел, 2008 г.), во Всероссийском смотре-конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, АЧГАА (г. Зерноград, 2008 г.), финале этого конкурса в МГАУ им. В. П. Горяч-кина (г. Москва, 2008 г.).

Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований и эскизный проект на комбинированный каток приняты ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМ-СЕЛЬМАШ» для изготовления опытной партии и внедрения в производство.

Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ, 2 патента на полезную модель и положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 103 наименования, из которых 4 на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 27 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цель работы, предмет и объект исследования. Показана научная новизна, практическая ценность и апробация работы, реализация результатов исследований, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследований» приведен краткий анализ технологий и средств механизации междурядной обработки пропашных культур. Дана техническая характеристика существующих моделей пропашных культиваторов, описаны рабочие органы, комплектующие культиватор.

По результатам анализа научных работ Н. В. Бугайченко, М. Н, Летошне-ва, Н. Е. Руденко, П. Е. Никифорова, И. М. Панова, В. А. Сергеенко, Н. 3. Ми-лашенко, В. И. Шемякина, Н. И. Кленина и др. выявлены основные недостатки рабочих органов пропашных культиваторов и определены направления исследований для их устранения.

Применяемое копирующее колесо секции культиватора однооперационно. Оно не обеспечивает крошение находящихся на поверхности поля комков почвы. При попадании колеса на них или в бороздки изменяется глубина обработки, повышается вариабельность этого показателя.

Применяемые на культиваторах стрельчатые лапы эффективно осуществляют подрезание сорняков. Однако они имеют существенные недостатки: выносят на поверхность влажную почву, образуют бороздки глубиной до 50...60 мм, отбрасывают почву в стороны, создавая гребнистую поверхность, что увеличивает площадь испарения. При увеличении скорости движения более 7,5...8,0 км/ч существенно возрастает количество подрезаемых культурных растений.

Исходя из анализа литературных источников и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследований:

1. На основе анализа конструкций пропашных культиваторов и технологий междурядной обработки выявить основные направления их совершенствования.

2. Теоретически обосновать технологические и конструктивные параметры рабочих органов, эффективно крошащих комки почвы и создающих выровненную поверхность.

3. Уточнить физико-механические и технологические свойства почвы, влияющие на процесс крошения комков и выравнивания поверхности почвы.

4. Разработать математическую модель процесса крошения комков почвы.

5. Экспериментально исследовать взаимосвязь конструктивно-технологических параметров и силовых характеристик рабочих органов.

6. Разработать и изготовить рабочие органы, обеспечивающие оптимальную структуру верхнего слоя почвы.

7. Провести полевые исследования технического решения, обеспечивающего стабилизацию хода культиватора при междурядной обработке.

8. Определить технико-экономическую эффективность применения пропашного культиватора с обоснованными рабочими органами.

Во второй главе «Теоретические исследования» рассмотрен процесс крошения комков почвы при статическом и динамическом воздействии.

В результате статического взаимодействия рабочего органа и комка почвы имеем

С = т-g-m■ а = т-— а), Н, (1)

где б - вес рабочего тела, Н; т - масса рабочего тела, кг; а - ускорение комка почвы, м/с2; ^-ускорение свободного падения, м/с2 (9,81).

Если при обработке комки почвы остаются в покое: а - 0, тогда

(? = т-£. (2)

При динамическом воздействии (ударе) кинетическая энергия ударяющего тела переходит в потенциальную энергию деформации комков почвы и сообщения ему скорости. Если масса тела, которое ударяет, т, а масса комков по-

а - каток двухъярусный; б - лапа Т-образная; в - схема компоновки и взаимодействия рабочих органов; 1 - каток наружный; 2 - каток внутренний; 3 - диски вертикальные наружного катка; 4 — ребра; 5 - нож плоский; б - стойка лапы; 7 — комок почвы

чвы т , то кинетическая энергия, затрачиваемая на деформацию, определится из выражения

2 ■(т + тк)

где К - скорость ударяющего тела, м/с; Кк— скорость комка почвы, приобретаемая им при ударе, м/с; К— коэффициент восстановления комка почвы при ударе. Если комки почвы при ударе остаются неподвижными: V = 0, тогда

Т = дж. (4)

2- (.т + тк)

Как видно из формул (2) и (4), максимальное воздействие на комки почвы происходит тогда, когда комок после воздействия остается в неподвижном состоянии, не приобретая ускорения. Следовательно, под комком почвы необходимо размещение опорного элемента.

На основании проведенного анализа предложено комбинированное почвообрабатывающее устройство, состоящее из следующих рабочих органов; двухъярусного катка и Т-образной лапы (рис. 1).

Рисунок I - Комбинированное почвообрабатывающее устройство

Внутри наружного катка / свободно размещен гладкий пустотелый каток 2, он выполнен из толстостенной трубы с закрытыми торцами.

Т-образная лапа (б) состоит из плоского ножа 5, закрепленного на стойке б. Она располагается под катком, что обеспечивает подпор комков почвы при воздействии на них двухъярусного катка.

Технологический процесс взаимодействия рабочих органов с почвой осуществляется следующим образом. В процессе движения Т-образная лапа заглубляется в почву и подрезает сорняки. Комки почвы разрушаются двумя способами.

Первый (I): часть комков 7, находящихся под ребрами 4 наружного катка 1, вдавливаются ими в почву и разрушаются, попадая в зазор между ребром 4 и Т-образной лапой 5. Ребра 4 наружного катка 1 являются действующим элементом, а Т-образная лапа - противодействующим, опорным.

Второй (II): комки почвы, которые проходят между ребрами 4, поступают во внутреннее пространство наружного катка 1, где попадают под воздействие внутреннего катка 2. Он является действующим элементом, а ребра наружного катка - противодействующим.

Т-образная лапа оказывает фронтальное воздействие на почву, что существенно снижает её отбрасывание.

Учитывая характер взаимодействия рабочих органов с почвой, теоретически обоснованы их конструктивные параметры.

Угол крошения определяется из условия скольжения почвы по поверхности лапы:

aK=<pd-(l-KJ, (5)

где q> - угол динамического трения почвы по поверхности лапы, град.; Ктн — коэффициент надежности технологического процесса, Я" = 0,3.

Ширина лапы:

в,=вм-2вш-2в3] + 2в„, (6) где в; - ширина захвата Т-образной лапы, м; е, - ширина междурядья, м; вш - ширина захвата односторонней лапы, м; вм - ширина защитной зоны, м; в — величина перекрытия лап, м.

Ширина катка:

вк = 0,85в,. (7)

Просвет между ребрами катка в должен быть больше или равен максимальному размеру комков почвы, находящихся в междурядье. При культивации комки почвы попадают во внутреннюю полость наружного катка. Ребра, выполненные из круглозвенной цепи, предотвращают возможное заклинивание комков и камней между ребрами и улучшают сцепление катка с почвой. Для обеспечения выравнивания поверхности почвы ребра расположены под углом у , который определяется по формуле

Исходя из максимальных размеров комков почвы, лежащих на поверхности .поля р период культивации, и условия перекатывания диачетр наружного катка dk определяется из неравенства

. (9)

jm;a

где апк - максимальный диаметр комков почвы, находящихся на поверхности поля в период проведения культивации, мм; <р -угол статического трения почвы по поверхности катка, град.; <г>а-угол внутреннего трения почвы, град.

Внутренний каток не должен перекатываться через комки почвы, требующие крошения, обеспечивая их разрушение ударом. Следовательно, выражение 9 примет вид

(Ю)

где аы - диаметр внутреннего катка, мм; й„к - минимальньш диаметр комков почвы, требующих крошения, мм. 1

При попадании комка под ребра наружного катка на него действуют силы: вес секции культиватора О и реакция опоры (реакция лапы) Ки (рис 2). Вертикальная составляющая реакции лапы И гу обеспечивает эффективный подпор комка почвы.

На каток действует сила тяги трактора Г направленная под углом наклона у/ звеньев параллелограммной навески секции культиватора к горизонтали. Сила О, действующая на комок:

Q = G-FTB (П)

где — сила тяги трактора, Н; т — масса секции культиватора, кг; у/-угол наклона звеньев параллелограммной навески секции к горизонтали, град.

Разрушающее усилие внутреннего катка характеризуется импульсом силы:

8 = Р ■ Ту, (12)

где 8 - импульс силы, Н-с; Б - сила удара, Н; ту - время удара, с.

Усилие воздействия катка на комок почвы складывается из двух составляющих: окружной силы Р и нормальной силы Р (рис. 3).

При движении культиватора наружный каток перекатывается по поверхности почвы, а внутренний каток - по ребрам наружного. Под действием силы сцепления FC[f внутренний каток приподнимается на некоторый угол / до того момента, пока составляющая силы тяжести внутреннего катка не заставит его скатываться вниз:

GyB=mg-sin*, Н, (13)

где т — масса внутреннего катка (рабочего тела), кг.

Скатываясь вниз, внутренний каток ударяет по комку с силой FДополнительное воздействие на комок почвы оказывает окружная сила F0, возникающая вследствие вращения внутреннего катка. Выразив и подставив значения сил Fn и F0 в выражение 12, получим

S =

m-(V~VK)

2- d„

(1 -K}t]y-m-s-fci

+ m-

4- я

' ícLl ' fd

V

(14)

где V- скорость движения культиватора, м/с; Ук - скорость комка почвы, приобретаемая им в результате удара, м/с; с1 — диаметр комка почвы, м; К — коэффициент восстановления комка почвы при ударе; - коэффициент, учитывающий снижение силы вследствие непрямого удара, зависит от соотношения диаметров ударяющихся тел; - радиус внутреннего катка, и;/сц— коэффициент сцепления поверхностей катков,

Поскольку во время удара комок почвы имеет опору в виде ребра наружного катка, ему не сообщается ускорение, при этом Кд„= 0, тогда уравнение 14 примет вид

S =

т-У2 2 -d.

(1 -КУпу-т-g- fcu+m-

V

feu' f<>

V

(15)

Из уравнения 15 видно, что импульс силы зависит от массы катка т и скорости движения культиватора V.

Ввиду того, что Т-образная лапа выполнена в форме плоского ножа, процесс схода растительных остатков с лезвия лапы может быть затруднен. Эффективная очистка лапы обеспечивается ее взаимодействием с уплотненной почвой, создаваемой катком и ребрами наружного катка, двигающимися по траектории удлиненной циклоиды.

Для обеспечения стабилизации хода культиватора предложено заменить стандартные опорно-приводные колеса с пневматическими шинами дисковыми колесами-стабилизаторами (рис. 4).

а - общий вид; б - в работе

Рисунок 4 - Дисковое колесо-стабилизатор

Колесо-стабилизатор изготавливается из листовой стали толщиной 10 мм и устанавливается на стандартную ступицу культиватора.

Возникающие боковые усилия, смещающие культиватор при случайном повороте передних колес трактора и разности суммарного сопротивления почвы слева и справа от навесного устройства, необходимо компенсировать реакцией бокового смятия почвы, возникающей на дисковых колесах-стабилизаторах, погруженных в почву. Исходя из условия равновесия культиватора в поперечной плоскости рассчитывается требуемая компенсирующая площадь одного дискового колеса-стабилизатора

РТ • эт £п ■ ОЕ+АР- —

-Г-77-(16)'

2- в■ Ку

где ~ тяговое усилие, Н; ¿¡п - угол поворота передних колес трактора, град.; ОЕ - расстояние от передней оси трактора до рамы культиватора, м; АР - разница сил сопротивления почвы левой и правой частей культиватора. Н; В - ширина захвата культиватора, м; в - вынос оси дискового колеса-стабилизатора относительно рамы культиватора, м; Ку- удельное сопротивление почвы, Па. 10

В третей главе «Методика экспериментальных исследований» описана общая методика экспериментальных исследований и частные программы экспериментов, дается перечень оборудования и приборов, используемых для проведения опытов.

Представлена методика определения фрикционных свойств почвы при помощи лабораторной установки «Трибометр», методика определения влажности полевых образцов почвы. Описаны методики изучения фракционного состава почвы перед и после междурядных обработок.

Изложена методика опыта по определению влияния размеров частиц верхнего мульчирующего слоя на влагозадерживающую способность почвы. В одинаковые емкости помещают почву, доведенную до НВ = 27 %. Поверх влажного слоя засыпают мульчирующий слой разного фракционного состава толщиной 40 мм. В одном из образцов делают бороздку в верхнем слое до увлажненной почвы. В течение десяти суток образцы взвешивают для определения количества испарившейся влаги и влажности почвы.

Предложена методика определения усилия, приводящего к разрушению комка почвы и крошению его до требуемого фракционного состава при статическом и динамическом воздействии. Для определения нагрузок, разрушающих комок почвы, разработана лабораторная установка (рис. 5).

/ - станина; 2 - груз; 3 - направляющие стойки; 4 - разметка высоты установки; 5 - предметная площадка; 6 - комок почвы; 7 - тензометрический датчик силы; 8 -винтовой пресс; 9 -тензометрический датчик перемещения; 10- блок преобразования; 11 - ноутбук «

Рисунок 5 - Установка лабораторная для определения динамических (а), статических (б) нагрузок, разрушающих комок почвы

Груз 2 массой 1 кг свободно перемещается по направляющим стойкам 3 (а), при этом на стойках нанесена метрическая разметка, указывающая перво-

начальную высоту установки груза. В варианте б установка оснащается винтовым прессом 8. Предметная площадка 5 размещена на чувствительной поверхности тензометрического датчика 7. Перемещение винтового пресса фиксируется датчиком перемещения 9.

Предел измерения тензометрических датчиков силы 1000 Н, а перемещения - 50 мм. Порог чувствительности тензометрического датчика 0,01 Н, перемещения - 0,01 мм, частота измерений 100 кГц. Сигнал, воспринимаемый датчиками, поступает в блок преобразования 10, который, в свою очередь, согласует работу датчика с программным обеспечением ОСБ-ЮОА.

Программное обеспечение позволяет определять импульс силы, требуемый для крошения комка до заданного фракционного состава, нормальное напряжение и скорость его распространения при динамическом воздействии, усилие разрушения комка и коэффициент относительного сжатия при статическом нагружении.

Описана методика исследования силовых характеристик двухъярусного катка. Для проведения исследований была разработана лабораторная установка «Привод двухъярусного катка» (ПДК) (рис. 6). От приводной станции /, состоящей из электродвигателя постоянного тока и редуктора, крутящий момент посредством цепной передачи передается на подшипниковый узел, на валу которого консольно закреплен двухъярусный каток.

Приводная станция 1 имеет электрический шкаф управления 2, позволяющий осуществлять пуск и остановку электродвигателя, менять направление его вращения и бесступенчато изменять частоту вращения в широких пределах.

1 - приводная станция; 2 - электрический шкаф управления; 3 - наружный каток; 4-внутренний каток; 5-датчик силы «иММ-К50»; 6 — скоростная видеокамера «ТгоиЫе81юо[ег-Т8250СЕ»; 7- тензометрическая станция; 5- ноутбук

Рисунок 6 — Лабораторная установка ПДК

Последовательность выполнения эксперимента следующая: во внутренний полости наружного катка 3 размещается внутренний каток 4. Внутренний каток в боковой стенке имеет закрывающееся отверстие, позволяющее заполнять внутреннюю полость балластом (песком), масса катка контролируется на электронных весах «MASSA-К», Мк2.790.053 РЭ. Установка запускается, обеспечивая требуемое направление вращения катка. Частота его вращения регулируется рукояткой JTATPa и отражается на дополнительной шкале вольтметра. Тензоме-трический датчик 5 передает сигнал о силе и частоте ударов внутреннего катка на тензометрическую станцию 7, на экране ноутбука 8 отражается силограмма зависимости этих величин. Одновременно происходит скоростная видеосъемка при помощи камеры б, управляемой с ноутбука 8. Скорость записи 250 кадров в секунду позволяет в дальнейшем определять угловую скорость внутреннего катка и угол сектора, в пределах которого происходят его колебания.

На основании теоретических исследований установлено, что на процесс эффективного крошения комков почвы двухъярусным катком влияют два фактора: масса внутреннего катка т, кг; частота вращения наружного катка Т ,

с"1, определяемая рабочей скоростью культиватора V: TIIK = V / я- dk.

Для определения оптимальных значений факторов, влияющих на процесс крошения комков почвы, проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 22. За критерий оптимизации принимаем импульс силы S, Н е, обеспечивающий крошение комка почвы до требуемого фракционного состава.

Результаты выбора основных факторов и уровней их варьирования для эксперимента ПФЭ 22 представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные факторы и уровни их варьирования для двухфакторного эксперимента по исследованию работы двухъярусного катка

Уровень Факторы

масса внутреннего катка частота вращения наружного катка

натуральное обозначение кодированное обозначение натуральное обозначение кодированное обозначение

т, кг х, г„„. с"'

Верхний 7,5 +1 ЗД8 +1

Основной 5,0 0 2,12 " 0

Нижний 2,5 -1 1,06 -1

Для проведения лабораторных исследований почвообрабатывающих рабочих органов разработана и изготовлена лабораторная установка «Почвенный канал» (рис. 7). Она состоит из электрического шкафа управления I, приводной станции 2 и емкости с почвой 3.

2 1 5

1 - электрический шкаф управления; 2 - приводная станция; 3 - емкость с почвой;

4 - подвижная тележка; 5 - параллелограммный механизм навески;

6 - универсальный грядиль; 7 — набор держателей

Рисунок 7 - Лабораторная установка «Почвенный канал»

Емкость 1 имеет прямоугольную форму (0,5x0,5 м), заполненную почвой. Верхние кромки емкости окантованы уголками и используются как рельсы для передвижения по ней тележки 4. Универсальный грядиль 6 и набор держателей 7 позволяют устанавливать исследуемые рабочие органы в нужной компоновке, параллелограммный механизм навески 5 обеспечивает копирование поверхности почвы.

Лабораторная установка позволяет испытывать рабочие органы и проводить сравнительный анализ следующих показателей: коэффициент отбрасывания почвы; параметры образованной бороздки; коэффициент увеличения площади испарения; удельное сопротивление двухъярусного катка.

Полевые исследования проводятся в соответствии с методикой ФГУ «Кубанская МИС» по ТУ 4732-012-48611500-04.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты проведенных лабораторных и полевых исследований.

Установлено, что в период междурядной культивации посевов пропашных культур в хозяйствах Ставропольского и Краснодарского краев в 2007.. .2008 гг. влажность верхнего слоя почвы составляет 14,1... 16,0 %. (табл. 2).

Таблица 2 - Влажность полевых образцов почвы

Показатель Слой почвы,см

0...5.0 5,1... 10,0 10,1... 15,0

Средняя влажность, % 14.7 21,0 23,0

Экспериментально уточнены физико-механические свойства почвы, оказывающие влияние на процесс её взаимодействия с рабочими органами (табл. 3). Образцы почвы - Предкавказский чернозем выщелоченный среднегумусный, влажность 14,9 %.

Таблица 3 — Показатели фрикционных свойств почвы

Фрикционное свойство почвы Значение

Угол трения в покое, <рп град 18,20

Коэффициент статического трения,/т 0,33

Коэффициент динамического трения, 0,27

Угол внутреннего трения, град 33,60

Коэффициент внутреннего трения,/ 0,67

Коэффициент восстановления почвы при ударе составляет К= 0,109.

Установлено, что размер комков в зоне междурядий перед культивацией не превышает 60 мм.

Оптимальным фракционным составом поверхностного слоя почвы для снижения потерь влаги на физическое испарение являются частицы размером 5... 10 мм (рис. 8). Они лучше удерживают почвенную влагу, образуя эффективный мульчирующий слой.

Рисунок 8 — График снижения влажности почвы в зависимости от фракционного состава верхнего слоя

При меньшем размере частиц интенсивность испарения увеличивается в результате капиллярного поднятия влаги к поверхности испарения. В образцах с большими размерами комков почвы испарение проходило более интенсивно за счет конвективно-диффузионных процессов. Установлено, что испарение возрастало при наличии в почве бороздки. Наличие бороздки не только оголяет влажные слои почвы, но и увеличивает площадь испарения, что существенно ускоряет иссушение почвы. С целью консервации почвенной влаги необходимо создавать верхний мульчирующий слой почвы толщиной до 40...50 мм с размерами частиц почвы до 10,0 мм. Для уменьшения площади испарения необходимо выравнивать поверхностный слой, исключать наличие борозд и неровностей.

Определена требуемая нагрузка статического воздействия для разрушения комков почвы диаметром до 60 мм (рис. 9).

1 1 / А / у у

Фракция: более Ют -*- ЮЛ25мм -4---«менее 0,25 мм *—♦— * \ / / / / / /

> К

/ / / / ■ -----------\

/ < I 1 ......«■!........-

и 150 300 /,50 600 750 900 1050 1200 1350 Ш

Удельная нагрузка 0, Н/м Рисунок 9 - График зависимости степени крошения комка от прилагаемойудельной нагрузки

Удельная нагрузка 1220,8 Н/м (табл. 4) обеспечивает крошение комка на части, 82,2 % которых размером менее 10 мм. При этом содержание эрозион-но опасных частиц размером менее 0,25 мм не превышает 3 %. Для разрушения до требуемого фракционного состава комок достаточно деформировать до 60 % от его диаметрального размера.

Таблица 4 - Статическая разрушающая нагрузка

Средняя М, Н/м Стандартное отклонение а, Н/м Коэффициент вариации V, %

1220,8 24,9 2,0

При динамических воздействиях разрушение комка до установленной фракции достигается приложением к нему импульса силы 1,455 Н ■ с (табл. 5).

( (

Таблица 5 - Динамический разрушающий импульс силы

Средняя М, Н ■ с Стандартное отклонение <т, Н • с Коэффициент вариации V, %

1,455 0,095 6,5

Коэффициент относительной деформации (сжатия) для комка почвы £ = 0,096. Модуль упругости почвы Е = 0,67 МПа.

Скорость распространения нормальных напряжений, приводящих к разрушению комка почвы составляет 11,1... 12,2 м/с.

Полученные значения коэффициентов трения почвы, коэффициента восстановления комка почвы при ударе и размерные характеристики комков почвы в зоне междурядья в период культивации позволяют рассчитать конструктивные параметры рабочих органов: угол крошения Т-образной лапы а.= 10°; угол наклона ребер наружного катка ур = 20°; расстояние между ребрами вк = 60 мм; диаметр наружного катка ^=300 мм, внутреннего с!.г = 80 мм.

В результате обработки данных ПФЭ 22 составлена статистическая математическая модель процесса:

в кодированном виде: Г = 1,597+ 0Д36ЛГ, + 0,091Х2; (17)

в натуральном виде: У = 1,143 + 0,0544т + 0,0858 Тпк. (18)

Полученное уравнение регрессии устанавливает зависимость между критерием оптимизации - импульсом силы, обеспечивающим крошение комка почвы до требуемого фракционного состава, и факторами: массой внутреннего катка т и частотой вращения наружного катка Ты,

С помощью критерия Кохрена была проведена оценка однородности дисперсии. С помощью критерия Стьюдента проверена гипотеза о значимости коэффициентов уравнения регрессии. Установлено, что коэффициент Ьп является незначимым. Адекватность математической модели проверена по критерию Фишера. Установлено, что полученная математическая модель адекватна. Для выполнения расчетов была использована программа «МаЛсас! 14».

Установлено, что частота вращения наружного катка является более значимым фактором, оказывающим воздействие на параметр оптимизации.

Используя адекватную математическую модель, геометрической интерпретацией которой является поверхность отклика (рис. 10а), были построены

изолинии сечения поверхности отклика (рис. 106) с использованием программы «8ТАТ18Т1СА-У7».

в 1-6 »1,5 И 1.4

У - импульс силы внутреннего катка. Н

Х( - масса внутреннего кэтка. кг

а б

а - поверхность отклика; б — изолинии сечения поверхности отклика

Рисунок 10 - Графическая интерпретация уравнения регрессии

По построенным изолиниям сечения поверхности отклика установлено, что оптимальной для внутреннего катка является масса 4,2 кг. Такая масса обеспечивает эффективное крошение комков почвы в диапазоне рабочих скоростей культиватора от 2 до 3 м/с. При скорости движения культиватора, равной 2 м/с, и массе катка 4,2 кг импульс силы удара наружного катка составляет 1,475 Н ■ с, что является достаточным для эффективного крошения. Рекомендуемая рабочая скорость движения культиватора составляет 2...3 м/с.

Установлено, что стрельчатая лапа более интенсивно отбрасывает почву, образуя бороздку и создавая невыровненную поверхность (рис. 11).

Рисунок 11 — Профиль поверхности почвы после прохода рабочих органов: а - стрельчатой лапы с обрезиненным катком (контроль); б - Т-образной лапы с двухъярусным катком (вариант); / - масштабирующий отрезок; 2 - поверхность почвы после обработки; 5 - до обработки

В результате лабораторных и полевых исследований определены основные показатели качества обработки почвы рабочими органами (табл. 6). Удельная нагрузка, создаваемая двухъярусным катком, составляет 1635,0 Н/м, что обеспечивает эффективное крошение комков.

Таблица 6 - Показатели качества обработки почвы

Показатель Вариант Контроль

Установочная глубина обработки, мм 100 100

Засоренность, шт/м2 11,7 11,7

Степень подрезания сорняков. % 100,0 100,0

Глубина образуемой бороздки, мм 10...15 33...51

Коэффициент отбрасывания почвы 0,11 0,29

Коэффициент изменения площади испарения 1,13 1,30

Содержание фракции (%) в верхнем слое: менее 0,25 мм 1,98 1,96

0,25...10,0 мм 82,56 60.44

10,1...30,0 мм 11,5 18,46

30,1...50,0мм 3,96 19,14

Предлагаемые комбинированные рабочие органы обеспечивают более эффективную обработку почвы по сравнению со стандартным набором (рис. 12).

а - обработка Т-образной лапой с двухъярусным катком; 6 - обработка стрельчатой лапой с обрезиненным катком

Рисунок 12-Вид поверхности поля после обработки

Применение дисковых колес-стабилизаторов позволяет обеспечивать величину защитной зоны не менее 50,0 мм (установочное 100 мм), при коэффициенте вариации 15,8 %. При использовании стандартных опорно-приводных

колес с пневматическими шинами минимальное значение защитной зоны достигает 0 мм, что приводит к подрезанию культурных растений. Коэффициент вариации 52,0 %

По результатам измерения тягового сопротивления определено, что данный показатель для Т-образной лапы и двухъярусного катка на 17,4 % больше, чем тяговое сопротивление стрельчатой лапы в паре с обрезиненным катком секции.

На основании проведенных исследований можно утверждать, что применение предлагаемых комбинированных рабочих органов существенно повышает качественные показатели обработки почвы. Применение опорно-приводных дисковых колес-стабилизаторов обеспечивает стабилизацию хода культиватора, повышение рабочей скорости, исключает подрезание культурных растений.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность пропашного культиватора» приведены расчеты экономической эффективности, которые показывают, что производительность предлагаемого культиватора возрастает на 28,8 %, степень снижения эксплуатационных затрат 2,6 %. Дополнительные капитальные вложения на культиватор составили 29700 руб., срок окупаемости затрат не превышает 1,9 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применяемые пропашные культиваторы для междурядной обработки не в полной мере отвечают предъявляемым агротехническим требованиям. Используемые на культиваторах стрельчатые лапы выносят на дневную поверхность влажную почву, образуют бороздки, оголяя дно, отбрасывают почву, что способствует интенсификации испарения почвенной влаги. В процессе работы культиватора возникают боковые силы, вызывающие его смещение в поперечной плоскости и подрезание культурных растений. Требуется улучшение качественных показателей работы культиватора за счет применения более эффективных способов воздействия на почву и создания стабилизирующих ход культиватора элементов.

2. Предложен комбинированный рабочий орган, состоящий из двухъярусного катка и Т-образной лапы, расположенной под катком. Такая конструкция обеспечивает крошение комков почвы посредством стесненного удара и стесненного сжатия. Теоретически обоснованы параметры предлагаемых рабочих органов: ширина захвата лапы В= 0,23 м; угол крошения лапы а = 10°; ширина катка в = 0,2 м; диаметр наружного катка ¿= 300 мм; внутреннего - г/ = 80 мм; просвет между ребрами наружного катка - 60 мм;.угол наклона ребер - 20°.

3. Уточнены физико-механические и технологические свойства почвы: коэффициент статического трения почвы по стальной поверхности^^ 0,33; коэффициент динамического трения^ = 0,27; коэффициент внутреннего трения /в = 0,67; коэффициент восстановления комка почвы при ударе К =0,109. Средняя влажность поверхностного слоя почвы в период культивации составляет 14,7 %, при этом диаметр комков в верхнем слое почвы не превышает 60 мм.

В результате экспериментальных исследований установлено, что с целью сохранения почвенной влаги необходимо создавать верхний мульчирующий слой почвы толщиной до 40...50 мм с размерами частиц почвы до 10,0 мм.

4. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы наружным и внутренним катками во взаимодействии с лапой. На основании математического моделирования установлено, что определяющими факторами эффективного крошения почвы являются масса внутреннего катка т и рабочая скорость движения культиватора V. В результате лабораторных исследований определены оптимальные значения определяющих факторов: масса внутреннего катка т = 4,2 кг и рабочая скорость культиватора V- от 2 до 3 м/с.

5. Экспериментально установлено, что для разрушения комков почвы при статическом воздействии необходимо и достаточно приложить к комку усилие в 1220,8 Н/м. При динамических воздействиях разрушение комка достигается приложением к комку импульса силы в 1,455 Н ■ с. Установлено, что критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы составляет 11,1... 12,2 м/с.

6. Разработанные рабочие органы обеспечивают эффективное крошение комков почвы, создание верхнего мульчирующего слоя со средним содержанием частиц почвы до 10 мм не менее 82,6 %. При этом глубина образуемой бороздки после прохода лапы вв = 12,0 мм, коэффициент отбрасывания почвы

= 0,11, коэффициент увеличения площади испарения Ка= 1,13. В контрольном варианте вв= 43,0, К0= 0,29, Ки= 1,30.

7. Для обеспечения стабилизации хода культиватора предложено использовать дисковое колесо-стабилизатор. В основе его действия лежит уравновешивание сил бокового смещения культиватора сопротивлением почвы смятию. Конструктивные параметры дискового колеса-стабилизатора обоснованы теоретически и проверены экспериментально: диаметр колеса Л = 700 мм; требуемая глубина погружения для обеспечения стабилизации И = 0,096 м. При этом боковая площадь сопротивления смятию - 0,0322 м2. Минимальная защитная зона составляет 50,0 мм, что гарантирует исключение подрезания культурных растений. В контроле защитная зона уменьшается до 0, что приводит к подрезанию.

8. Проведен расчет технико-экономических показателей эффективности предлагаемого культиватора с новыми рабочими органами. Рост производительности машины в сравнении с базовым вариантом — 28,8 %, дополнительные капитальные вложения на культиватор - 29700 руб., срок окупаемости затрат —1,9 года.

9. Результаты исследований и конструкторская документация на комбинированные рабочие органы были переданы в фирму ОАО «СТАВРОПОЛЬ-РЕМСЕЛЬМАШ» для внедрения в производство. Акт внедрения прилагается, разработка защищена патентами на полезную модель № 71503 и № 78625. По заявке № 2007177702/11(030164) получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Руденко, Н. Е. Что лучше раскрошит комок почвы [Текст] / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, А. П. Ляхов // Сельский механизатор. - 2008. — № 5.— С. 26-27 (соискатель -60%).

Патенты

2. Патент № 71503. Российская Федерация, МПК А 01 В 39/08. Культиватор пропашной влагосберегающий [Текст] / Руденко Н. Е., Топалов К. М., Кулаев Е. В., Ляхов А. П., Пятунин А. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО СтГАУ. - № 2007127700/22 ; заявл. 19.07.2007; опубл. 20.03.2008, Бюл. №8.-3 с. (соискатель -50 %).

3. Патент № 78625. Российская Федерация, МПК А01В 33/00. Культиватор паровой модульный [Текст] / Руденко Н. Е., Кулаев Е. В., Ляхов А. П. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО СтГАУ. -№ 2008114955/22 ; заявл. 14.04.2008 ; опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34. - 3 с. (соискатель - 60 %).

4. Решение ФЙПС № 12-34-86 от 12.12.2008 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2007127702/11(030164) от 19.07.2007. Каток комбинированного почвообрабатывающего агрегата / Руденко Н. Е., Зайцев Д. К., Кулаев Е. В., Ляхов А. П.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО СтГАУ (соискатель - 50 %).

Публикации в других изданиях

5. Руденко, Н. Е. Стабилизация хода культиватора при междурядной обработке пропашных культур [Текст] / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, А. П. Ляхов // Земледелие. -2008. - №8. - С. 29. (соискатель - 60 %).

6. Руденко, Н. Е. Ресурсосберегающий модульный паровой культиватор [Текст] / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, А. П. Ляхов // Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК : сб. материалов Международной научно-практической Интернет-конференции, ОГАУ. - Орел, 2008. - С. 64. (соискатель - 60 %).

7. Руденко, Н. Е. Лабораторная установка для исследования почвообрабатывающих рабочих органов [Текст] / Н. Е. Руденко, А. П. Ляхов // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе : сб. научных трудов по материалам IV Российской научно-практической конференции, СтГАУ. - Ставрополь, 2007. - С. 336-341 (соискатель - 80 %).

8. Руденко, Н. Е. Оценка качественных показателей рабочих органов пропашного культиватора [Текст] / Н. Е. Руденко, А. П. Ляхов // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. научных статей по материалам III Международной научно-практической конференции, СтГАУ. - Ставрополь, 2008. - С. 177-182 (соискатель - 80 %).

9. Ляхов, А. П. Технико-экономическая эффективность влагосберегающего пропашного культиватора со стабилизацией хода [Электронный ресурс] / А. П. Ляхов // Научный журнал КубГАУ. - Краснодар : КубГАУ, 2009. - № 46(2). - Шифр Информре-гистра: 0420900012/0018. -Режим доступа: http://ej.kubagro.ro/2009/02/pdiy03.pdf

Подписано в печать 21.08.2009. Формат 60x841/1(. Усл. печ. л. 1,0. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ Na 427.

Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Мира, 302.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Технология ухода за пропашными культурами.

1.2 Обзор конструкций пропашных культиваторов.

1.3 Подготовка к работе и настройка пропашного культиватора.

1.4 Анализ конструктивно-технологических параметров рабочих органов культиватора.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Обоснование способов механического воздействия на комки почвы.

2.2 Обоснование конструктивной схемы рабочих органов.

2.3 Обоснование параметров Т-образной лапы.

2.4 Обоснование параметров двухъярусного катка.

2.5 Обоснование режимов работы двухъярусного катка и Т-образной лапы.

2.6 Обоснование стабилизации хода пропашного культиватора.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Общая методика экспериментальных исследований.

3.2 Методика определения физико-механических и технологических свойств почвы.

3.3 Методика определения разрушающих нагрузок при статическом и динамическом воздействии на комки почвы.х

3.4 Методика исследования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой.

3.5 Методика проведения лабораторных исследований рабочих органов культиватора.

3.6 Методика проведения полевых испытаний опытных образцов рабочих органов.

3.7 Методика определения показателей тягового сопротивления рабочих органов.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Результаты изучения физико-механических и технологических свойств почвы.

4.2 Результаты определения нагрузок, разрушающих комок почвы.

4.3 Расчет конструктивных параметров предлагаемых рабочих органов.

4.4 Результаты исследования процесса взаимодействия рабочих органов с почвой.

4.5 Результаты лабораторных исследований рабочих органов культиватора.

4.6 Результаты проведения полевых испытаний.

4.7 Результаты определения тягового сопротивления.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРОПАШНОГО КУЛЬТИВАТОРА.

5.1 Общие положения определения технико-экономической эффективности.

5.2 Расчет технико-экономических показателей.

5.3 Расчет производительности труда и трудоемкости выполненных работ.

5 .4 Расчет эксплуатационных затрат.

5.5 Расчет дополнительной экономии.

5.6 Расчет эффективности капитальных вложений.

5.7 Коэффициент (индекс) доходности и срок окупаемости капитальных вложений.

Пропашные культуры имеют важное значение в сельскохозяйственном производстве нашей страны. Являясь иногда единственным сырьём для производства таких продуктов, как растительное масло, сахар, крахмал, спирт, пропашные культуры получают все большее распространение на полях сельскохозяйственных товаропроизводителей.

Технология ухода за пропашными культурами включает предпосевную подготовку поля, боронование до и после появления всходов, междурядную обработку почвы, окучивание, внесение удобрений и уничтожение сорняков.

Одной из важных задач ухода является поддержание полей на протяжении всего периода вегетации в чистом состоянии. Основные методы борьбы направлены на уничтожение вегетирующих сорняков. Широкое применение находят методы химической прополки полей, однако применяемые гер- / бициды накапливаются в плодах и стеблях возделываемых растений, делая их непригодными не только для употребления в пищу человеком, но и для скармливания животным.

В настоящее время все большее применение находят методы экологического земледелия, обязательным атрибутом которых являются способы механической обработки почвы.

Однако технологии и технические средства, применяемые при возделывании пропашных культур, остаются неизменными уже десятки лет. На протяжении всего периода вегетации пропашных культур основным орудием для ухода за этими растениями является пропашной культиватор. Его рабочие органы и способы воздействия их на почву имеют некоторые недостатки.

Процесс ухода за посевами пропашных культур включает в себя две или три междурядные обработки, улучшающие основные факторы роста и развития растений: влажность, аэрацию, засоренность, температурный режим. Результатом междурядной обработки помимо уничтожения сорных растений должно стать создание влагонакопительной и влагозадерживающей структуры почвы, способной обеспечить подвод и сохранение почвенной влаги в период вегетации культурных растений [63].

Задачей процесса обработки почвы является изменение ее свойств и состояния. При обработке почвы осуществляются крошение, т. е. уменьшение размеров комков; рыхление, приводящее к увеличению расстояния между почвенными комочками; уплотнение, уменьшающее это расстояние. Ведется также выравнивание, устранение неровностей поверхности поля, а с целью улучшения аэрации проводят разрушение почвенной корки. Обязательным требованием к междурядной обработке является уничтожение сорных растений, активно потребляющих питательные вещества, влагу, солнечную энергию и являющихся рассадниками болезней. При этом рабочие органы пропашного культиватора не должны повреждать культурные растения.

Цель исследований — обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора, обеспечивающих сохранение почвенной влаги и стабилизацию хода агрегата.

Объект исследования — технологический процесс культивации пропашных культур.

Предмет исследования - закономерности крошения (измельчения) комков почвы, выравнивания поверхности и стабилизации хода культиватора при междурядной обработке.

Положения, выносимые на защиту:

- перспективная технологическая и конструктивная схемы комбинированного почвообрабатывающего устройства;

- математическая модель процесса крошения почвы;

- конструкция стабилизатора хода пропашного культиватора;

- результаты экспериментальных исследований, по обоснованию оптимальных параметров рабочих органов;

- результаты сравнительных полевых исследований предложенных технических и технологических решений и их экономическая оценка.

Методика исследований включала: теоретические исследования процесса крошения почвы и стабилизации поперечных колебаний пропашного культиватора с использованием методов классической механики и математического анализа, экспериментальные исследования с применением современного тензометрического оборудования, методов планирования многофакторного эксперимента, оценки адекватности и достоверности полученных результатов, определения экономической эффективности.

Для проведения экспериментальных исследований были использованы существующие и разработанные лабораторные установки. Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы ударным воздействием при наличии опорного элемента. Определена критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы. Получена эмпирическая регрессионная модель, устанавливающая взаимосвязи между основными параметрами двухъярусного катка секции пропашного культиватора и качественными показателями его работы.

На основе исследований предложены комбинированные рабочие органы: двухъярусный каток и Т-образная лапа, новизна которых подтверждена патентами на полезную модель №71503, №78625, решением ФИПС от 12.12.2008г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2007127702/11(030164) (приложение 1).

Практическая значимость работы. Предложенные аналитические зависимости и методика расчета, могут быть использованы при проектировании комбинированных почвообрабатывающих рабочих органов и расчете конструктивных параметров стабилизирующих элементов пропашных культиваторов.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены и рекомендованы к публикации на научных конференциях СтГАУ (Ставрополь, 2008.2009 гг.), ОГАУ (Орел, 2008г.). Во Всероссийском смотре-конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых ВУЗов МСХ РФ, АЧГАА (Зерноград, 2008г.), финале этого конкурса в МГАУ им. В.П.

Горячкина (Москва, 2008г.).

Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований и эскизный проект на комбинированный каток приняты ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМСЕЛЬМАШ» для изготовления опытной партии и внедрения в производство, акт внедрения прилагается (приложение 2).

Публикации результатов исследований. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в их числе 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК РФ, 2 патента на полезную модель и положительное решение о выдаче патента на изобретение. Общий объем опубликованных работ составляет 1,209 печатных листов, из которых соискателю принадлежит 0,861 печатных листов. Личный вклад соискателя по совместным исследованиям составляет 71%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применяемые пропашные культиваторы для междурядной обработки не в полной мере отвечают предъявляемым агротехническим требованиям. Используемые на культиваторах стрельчатые лапы выносят на дневную поверхность влажную почву, образуют бороздки, оголяя дно, отбрасывают почву, что способствует интенсификации испарения почвенной влаги. В процессе работы культиватора возникают боковые силы, вызывающие его смещение в поперечной плоскости и подрезание культурных растений. Требуется улучшение качественных показателей работы культиватора за счет применения более эффективных способов воздействия на почву и создания стабилизирующих ход культиватора элементов.

2. Предложен комбинированный рабочий орган, состоящий из двухъярусного катка и Т-образной лапы, расположенной под катком. Такая конструкция обеспечивает крошение комков почвы посредством стесненного удара и стесненного сжатия. Теоретически обоснованы параметры предлагаемых рабочих органов: ширина захвата лапы Вл— 0,23 м/ угол крошения лапы ак = 10°; ширина катка вк= 0,2 м; диаметр наружного катка ¿4 = 300 мм; внутреннего — dke — 80 мм; просвет между ребрами наружного катка - 60 мм, угол наклона ребер - 20°.

3. Уточнены физико-механические и технологические свойства почвы: коэффициент статического трения почвы по стальной поверхности fcm = 0,33; коэффициент динамического трения fd = 0,27; коэффициент внутреннего трения fa = 0,67; коэффициент восстановления комка почвы при ударе К = 0,109. Средняя влажность поверхностного слоя почвы в период культивации составляет 14,7%, при этом диаметр комков в верхнем слое почвы не превышает 60 мм. В результате экспериментальных исследований установлено, что с целью сохранения почвенной влаги необходимо создавать верхний мульчирующий слой почвы толщиной до 40.50 мм с размерами частиц почвы до 10,0 мм.

4. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы наружным и внутренним катками во взаимодействии с лапой. На основании математического моделирования установлено, что определяющими факторами эффективного крошения почвы являются масса внутреннего катка т и рабочая скорость движения культиватора V. В результате лабораторных исследований определены оптимальные значения определяющих факторов: масса внутреннего катка т = 4,2 кг и рабочая скорость культиватора Fot 2 до 3 м/с.

5. Экспериментально установлено, что для разрушения комков почвы при статическом воздействии необходимо и достаточно приложить к комку усилие в 1220,8 НУм. При динамических воздействиях разрушение комка достигается приложением к комку импульса силы в

1,455 Н-с. Установлено, что критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы составляет 11,1 .12,2 м/с.

6. Разработанные рабочие органы обеспечивают эффективное крошение комков почвы, создание верхнего мульчирующего слоя со средним содержанием частиц почвы до 10 мм не менее 82,6 %. При этом глубина образуемой бороздки после прохода лапы вв = 12,0 мм, коэффициент отбрасывания почвы К0 — 0,11, коэффициент увеличения площади испарения Ки = 1,13. В контрольном варианте вв = 43,0, Ко~ 0,29, Ки= 1,30.

7. Для обеспечения стабилизации хода культиватора предложено использовать дисковое колесо-стабилизатор. В основе его действия лежит уравновешивание сил бокового смещения культиватора сопротивлением почвы смятию. Конструктивные параметры дискового колеса-стабилизатора обоснованы теоретически и проверены экспериментально: диаметр колеса £> = 700 мм; требуемая глубина погружения для обеспечения стабилизации к = 0,096 м. При этом боковая площадь сопротивления смятию - 0,0322 м2. Минимальная защитная зона составляет 50,0 мм, что гарантирует исключение подрезания культурных растений. В контроле защитная зона уменьшается до 0, что приводит к подрезанию.

8. Проведен расчет технико-экономических показателей эффективности предлагаемого культиватора с новыми рабочими органами. Рост производительности машины в сравнении с базовым вариантом 28,8 %, дополнительные капитальные вложения на культиватор 29700 руб., срок окупаемости затрат —1,9 года.

9. Результаты исследований и конструкторская документация на комбинированные рабочие органы были переданы в фирму ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМСЕЛЬМАШ» для внедрения в производство. Акт внедрения прилагается, разработка защищена патентами на полезную модель № 71503 и № 78625. По заявке № 2007177702/11(030164) получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

1. Абдрахманов, Р. К. Разработка и обоснование параметров комбинированного рабочего органа пропашного культиватора Текст. : дис. . канд. тех. наук / Р. К. Абдрахманов ; КазНИИМЭСХ. - Казань, 1984. — 205 с.

2. Аналитическая геометрия на плоскости Текст. : метод, указ. / под ред. С. В. Попова. Ставрополь : Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2004. - 24 с.

3. Берман, Н. Г. Циклоида Текст. / Н. Г. Берман. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1980. - 112 с.

4. Блудов, М. И. Беседы о физике Текст. / М. И. Блудов. 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Просвещение, 1972. — Ч. 2. - 171 с.

5. Бугайченко, Н. В. К обоснованию параметров лап культиватора для работы на повышенных скоростях Текст. / Н. В. Бугайченко // Вторая межвузовская конф. по вопросам повышения рабочей скорости с.-х. машин : тез. докл. Ростов н/Д, 1971. - 41-43 С.

6. Будник, А. В. Планирование эксперимента и обработка результатов Текст. : учеб. пособие для вузов / А. В. Будник, В. Е. Галузо, К. В. Ан-друхович. Минск : БГУИР, 2003. - 48 с.

7. Бурбель, А. Ф. Агромехтехнология полей юга России Текст. / А. Ф. Бурбель, А. Н. Белан, Б. А. Землянский и др. — Ейск : Изд-во «Адыгея», 1996.-187 с.

8. Василенко, В. В. Расчет рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин Текст. : учеб. пособие / В. В. Василенко. Воронеж : Изд-во ВГУ, 1994. - 288 с.

9. Веденяпин, Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных Текст. / Г. В. Веденяпин. — 3-е изд., перераб. и доп. -М. : Колос, 1973. 197 с.

10. Веденяпин, Г. В. Эксплуатация машинно-тракторного парка Текст. / Г. В. Веденяпин, Ю. К. Киртбая, М. П. Сергеев. — М. : Сельхозиздат, 1963.-431 с.

11. Венецкий, И. Г. Основы математической статистики Текст. / И. Г. Ве-нецкий, Г. С. Кильдшиев. -М. : Госстатиздат, 1963. 308 с.

12. Вентцель,' Е. С. Теория вероятности Текст. : учеб. для вузов / Е. С. Вентцель. 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 1999. - 576 с.15.