автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата и основных параметров его сошниковой группы

На правах рукописи

ЧЕРЕМИСИНОВ Дмитрий Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕ-ПОСЕВНОГО АГРЕГАТА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЕГО СОШНИКОВОЙ ГРУППЫ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 3 МАП 2013

005060114

Киров-2013

005060114

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный кандидат технических наук, доцент

руководитель: Дёмшин Сергей Леонидович

Официальные Курбанов Рустам Файзулхакович, доктор

оппоненты: технических наук, профессор, Федеральное

государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт машинно-тракторного парка»;

Ошурков Максим Викторович, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры «Сельскохозяйственные машины и орудия»

Аграрно-технологический институт Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный университет»

Защита состоится 14 июня 2013 г. в 12 часов 30 минут на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук.

Автореферат разослан "Jf" мая 2013 г.

Ведущая организация:

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из направлений совершенствования сельскохозяйственной техники для растениеводства является разработка комбинированных агрегатов, которые за технологический проход выполняют комплекс агротехнических операций. Наиболее перспективным является их применение при совмещении операций предпосевной обработки почвы и посева, что создает благоприятные условия для вегетации растений за счёт лучшего качества обработки, сохранения почвенной влаги, а также сокращает длительность производственного цикла, уменьшает вредное воздействие ходовых систем машин на структуру почвы. Агроландшафтные условия Северо-Востока европейской части РФ, отличающиеся мелкоконтурностью полей с достаточно неровным рельефом, ограничивают применение широкозахватных почвообрабатывающе-посевных комплексов. В связи с этим разработка навесных комбинированных агрегатов для предпосевной обработки почвы и посева является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с темой РАСХН 09.01.02.02 "Разработать комбинированный агрегат для предпосевной обработки почвы с возможностью посева семян зерновых и кормовых культур при одновременном внесении минеральных удобрений".

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности технологии предпосевной обработки почвы и посева посредством обоснования конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата и оптимизации основных параметров его сошниковой группы.

Для достижения данной цели определены задачи исследования:

- обосновать конструктивно-технологическую схему почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- провести теоретические исследования по выбору основных параметров сошниковой группы почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- провести сравнительные исследования основных типов сошников, определить оптимальные параметры сошниковой группы почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- провести испытания опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата, определить экономическую и энергетическую эффективность его использования.

Научная новизна. Предложен способ обработки почвы и посева, включающий выполнение за один проход предпосевной обработки (в т.ч. полосное рыхление, культивацию, фрезерование и выравнива-

ние), внесения стартовой дозы минеральных удобрений, посева и послепосевного прикатывания, и разработана конструктивно-технологическая схема почвообрабатывакмце-посевного агрегата для его осуществления, в основе почвообрабатывающей части которого использован ротационный рыхлитель, а посевной - сеялка рядового посева с сошниковой группой из килевидных сошников, расположенных на поводках в виде прицепов пружин кручения. Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения №2436271 и №2477036.

Получены математические модели функционирования килевид-ного сошника, позволяющие определить оптимальные конструктивно-технологические параметры сошниковой группы.

Теоретическая и практическая значимость. Выведены аналитические зависимости для определения основных параметров сошниковой группы предложенной конструкции и усилий, действующих в точке крепления сошниковой группы к раме.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований обоснована конструктивно-технологическая схема поч-вообрабатывающе-посевного агрегата, использование которого повышает эффективность предпосевной обработки почвы и посева.

С учетом результатов исследований почвообрабатывающе-посевного агрегата разработана конструкторская документация и изготовлен его опытный образец, который используется на опытном поле ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии.

Методология и методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны процесс предпосевной обработки почвы и посева, почвообрабатывающе-посевной агрегат и его рабочие органы.

Экспериментальные исследования проводились по стандартным и разработанным методикам. При реализации, подготовке и обработке их результатов применялись методы планирования эксперимента и математической статистики с применением ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- аналитические зависимости для выбора основных конструктивно-технологических параметров сошниковой группы почвообра-батывающе-посевного агрегата и определения усилий в точке крепления сошниковой группы к раме агрегата;

- модели регрессии функционирования сошниковой группы

почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- оптимальные параметры сошниковой группы почвообрабаты-вающе-посевного агрегата;

- результаты испытаний опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата, расчетная эффективность его использования.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований почвообрабатывающе-посевного агрегата и его сошниковой группы, а также ведомственных испытаний опытного образца агрегата, разработанного при участии автора.

Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО "Вятская ГСХА", г.Киров (2010...2013 гг.), ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхоза-кадемии, г.Киров (2012 г.), ФГБОУ ВПО "Аграрно-технологический институт", г.Йошкар-Ола (2011 г.).

По материалам исследований опубликовано 16 научных работ, в т.ч. 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, получены 2 патента РФ на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит суть выполненной работы, цели и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследования" проведен анализ технологий предпосевной обработки почвы и посева, и технических средств для их осуществления, используемых на Северо-Востоке европейской части РФ, а также их сошниковых групп. Выявлено, что применение в качестве почвообрабатывающей части агрегата ротационного рыхлителя обеспечивает по сравнению с пассивными рабочими органами более качественную обработку почвы, а по сравнению с фрезами - большую производительность при меньшей энергоемкости. Низкая металлоемкость и компактность размещения рабочих органов позволяет изготавливать их навесными. Обзор конструкций сошниковых групп показал, что при качественной предпосевной обработке почвы данные агрегаты в большинстве случаев комплектуются килевидными сошниками с радиальным подвесом.

Весомый вклад в повышение эффективности почвообрабатывающей и посевной техники внесли П.Н.Бурченко, В.П.Горячкин, А.Ф.Жук, В.Н.Зволинский, Ф.М.Канарёв, А.Д.Кормщиков, НЛСМази-тов, И.М.Панов, Г.Н.Синеоков и другие учёные. Вопросами устойчи-

вости движения данных агрегатов и их рабочих органов занимались А.Б.Лурье, Л.В.Гячев, А.Д.Кормщиков, Р.Ф.Курбанов. Изучению динамики движения сошников посвящены работы М.Х.Пигулевского, Г.МБузенкова, М.П.Набатяна, В.А.Бахмутова и ряда других учёных.

Во второй главе "Теоретические исследования" дано обоснование конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе - посевного агрегата, почвообрабатывающая часть которого представлена ротационным рыхлителем, а посевная - зернотуковой сеялкой рядового посева. Для выбора основных параметров сошниковой группы рассмотрены вопросы устойчивости её движения как механической системы, определена суммарная реакция в точке крепления сошниковой группы к раме агрегата от сил, действующих на сошник.

Предложен способ обработки почвы и посева, включающий выполнение за один проход предпосевной обработки почвы (в т.ч. полосное рыхление, культивацию, фрезерование и выравнивание), внесения минеральных удобрений, посева и послепосевного прикатыва-ния, для осуществления которого разработан почвообрабатывающе-посевной агрегат. Агрегат (рисунок 1) состоит из рамы, на которой расположены приводной ротор с почвозацепами и опорными ребордами, два ряда культиваторных лап, измельчающий ротор с Г-образными ножами, закрытый кожухом, выравниватель, бункер для семян и удобрений, ряд килевидных сошников и каток.

При поступательном движении почвозацепы приводного ротора, принудительно перекатываясь под действием тяговой силы трактора, производят рыхление почвы полосами и одновременно через ускоряющую передачу приводят во вращение измельчающий ротор. Стрельчатые культиваторные лапы подрезают и рыхлят пласт почвы в необработанных междурядьях. Одновременно с этим через тукона-правители культиваторных лап в почву подаются минеральные удобрения. Далее Г-образные ножи измельчающего ротора обрабатывают верхний слой почвы на глубину, превышающую на 20...40 мм глубину посева семян. Неровности микрорельефа сглаживаются выравнивателем. Килевидные сошники формируют в зонах локального внесения туков бороздки с уплотнённым посевным ложе, в которые высеваются семена. Каток производит послепосевное прикатывание для обеспечения лучшего контакта высеянных семян с почвой.

Благодаря установке на приводном роторе опорных реборд обеспечена постоянная глубина его погружения в почву, что стабилизирует частоту вращения высевающих аппаратов, а также снижает

нежелательное варьирование скольжения ротора при изменении физических свойств почвы или скорости движения агрегата.

Рисунок 1 - Почвообра-батывающе-посевной агрегат: а - вид сбоку; б -схема размещения рабочих органов: 1 - рама; 2 -ротор приводной; 3 -почвозацепы; 4 - опорные реборды; 5 - цепная передача; 6 - культива-торные лапы; 7 - туко-проводы; 8 - измельчающий ротор; 9 - коробка перемены передач; 10 -зернотуковый ящик; 11 -Т защитный кожух; 12 -15 16 17 18 семяпроводы; 13-меха-уИ / I низм регулировки глу-/ бины обработки; 14 -рУГ каток; 15 - выравнива-Т^лгт-^ <п! тель; 16 - механизм ре..... ^ гул про в ки глубины посева; 17 - брус сошни-б ков; 18 - сошники

Выравнивание почвы обеспечивает ровную поверхность поля. В этом случае для копирования рельефа достаточно небольшой амплитуды хода механизма подвеса сошников, что позволило использовать в качестве их поводков прицепы пружин кручения. Объединение функций крепления, защиты от повреждения при наезде на препятствие и копирования поверхности в одном конструктивном элементе -пружине кручения с прицепами в виде поводков, значительно снизило металлоёмкость сошниковой группы. Использование килевидных сошников при установке их в один ряд с междурядьем 0,15 м позволило сделать сошниковую группу максимально компактной.

При выборе параметров сошниковой группы агрегата таких как: жесткость пружины с (Н/рад), длина поводка I (м) и начальный угол установки поводков сошника ак (град) - рассмотрена устойчивость движения сошниковой группы, исходя из следующих допущений: 1) отклонение сошника относительно его равновесного положения является достаточно малым. Так как положение сошника относитель-

но рамы определятся углом наклона его поводка к горизонтали, то:

а = ай±А<р, (1)

где ао - угол наклона поводка в установившемся режиме, град; Aq>- малое приращение переменной <р, град; (р - угол отклонения поводков от положения равновесия, град.

2) вектор силы сопротивления R почвы, действующей на сошник, противоположен вектору абсолютной скорости его движения;

3) агрегат перемещается прямолинейно и равномерно, т.е. V0= const.

При поступательном движении системы на сошник (рисунок 2, а) действуют: сила тяжести Gmg (Н), усилие от действия пружины Рпр (Н) и сопротивление почвы R (Н). Обобщенной координатой выбран угол <р. В этом случае для описания движения механической системы достаточно уравнения Лагранжа второго рода.

Сошник одновременно участвует во вращательном движении относительно точки О в продольно-вертикальной плоскости и в поступательном - перемещаясь вдоль оси ОХ с постоянной скоростью V0, т.е. его кинетическая энергия Г определится по теореме Кёнига.

Работа 8АР обобщенных сил Qv, действующих на сошник, при повороте системы на 8<р примет вид:

SAp={-Mnp-Mmg+MR)-S(p=(-c-l-<p-m-g-l-cosa + R-r-cosr)-S<p, (2)

где г - плечо силы сопротивления почвы относительно точки О, м; т - масса сошниковой группы, кг;

у - угол между касательной к плечу г и вектором абсолютной скорости V, град.

cosy= . -Ф-г + Уо-**»(Р+0) t (3)

л/Fo + ф2 ■ I2 + 2■ ф■ I■ V0 ■ sin(a + Р)

где знаменатель - модуль абсолютной скорости v ; _

числитель - проекция вектора абсолютной скорости V на вектор касательной скорости Vr;

Р - угол между поводком сошника и плечом г действия силы сопротивления почвы, град;

ф - угловая скорость сошника, рад/с.

Почвообрабатывающая часть агрегата создает мелкоструктурный выровненный слой почвы, что позволяет сделать допущение о постоянстве точки приложения силы сопротивления R, т.е. угол Р считаем постоянным.

При подстановке в уравнение Лагранжа второго рода, получим:

Щ-I1 +2-ф-1-Уъ-ът<дс+/3) ' где I- момент инерции сошника относительно точки О, кгм2.

Рисунок 2 - Схема сил (а) и расчетная схема колебаний сошника (б)

Уравнение (4) описывает движение сошника при начальных условиях и допускает в качестве решения постоянное значение координаты <р=<ро=соти соответствующее установившемуся движению а ф=ф=0. Тогда оно преобразуется в уравнение динамического равновесия системы:

-с-1-(ръ~т^-1-со$а() + К-г-$т{а13+ Р) = 0, (5)

Введем новое начало отчета угла (р от положения динамического равновесия обозначим его <р,. С учетом сделанных предпосылок о малых отклонениях системы от её динамического равновесия, можно сделать вывод, что обобщенная скорость фх - величина того же порядка малости, что и <р,. В этом случае считаем, что л:пА(р~А(р\ со5Л<р~1;У~У0. Уравнение движения сошника примет вид:

* .. К-г2 . ,

-<Р1+(т^-1-ьта0 + К-г-соз(а0+Д)+с-1)-(р. = 0. (6)

или в каноническом виде: щ +2п-ф[ +к2-<р1 =0

где

I -V,

(7)

(8)

В зависимости от коэффициентов пик уравнения (7) переходное движение сошника при стремлении его к установившемуся движению будет представлять собой затухающие колебания при п<к, апериодические при п>к, либо предельно апериодические при п=к.

Составлена система уравнений, включающая условие предельно апериодического движения и уравнение движения сошника в установившемся положении, которая позволяет определить жесткость с пружины и угол (ро отклонения поводка при достижении системой динамического равновесия для заданных значений длины поводка I, массы т сошника, углов и аК и сопротивления почвы R=f(Vo, h):

- + j ^—^cos(aK + f})- m -g -sin aK Icos щ +

R2 -r4

4 Vf-l-I m-g• eos aK + R-r

1

-sin(aK + 0) sin <p0;

(9)

c-q> o =

К

/

sin(aK + p)-m-g-cosaK cos^0

R

- m -g -sin aK + ——cos(aK + fi) sin

l

Решения системы уравнений (рисунок 3) дают единственные значения параметров сошниковой группы, при которых выполняется условие предельно апериодического движения. Однако на практике такое положение системы труднодостижимо из-за нестабильности свойств почвы и скорости движения. Следовательно, наиболее вероятное движение сошника будет представлять затухающее колебательное движение (к>п), либо апериодическое (п>к).

4 5%1V°,м/с

Рисунок 3 - Значения жёсткости с пружины кручения (а) и угла отклонения <р0 сошника (б) необходимые для поддержания условия предельно апериодического движения при ¡} = 10°, / = 0,24 м, от = 1,5 кг

Для выбора жесткости пружины кручения сошниковой группы определено время переходного движения сошника для двух величин жесткости пружины с учетом допустимых агротребованиями пределов отклонения сошника от установившегося движения ± <рдоп (рисунок 4).

Рисунок 4 - Траектории движения сошника в продольно-вертикальной плоскости при достижении им динамического равновесия:

1 - п = к при с = 224 Н/рад., V„ = 0,9 м/с, R = 34,0 Н

2 -к>п при с = 224 Н/рад.,К0 = 2,] м/с, R = 46,0 Н

3 — п= к при с = !26 Н/рад.,Ко = 2,1 м/с, Л = 40,4 Н

4 - я > ä при с = 126 Н/рад., = 0,9 м/с, R = 34,0 Н

Сравнение графиков переходного движения сошника при различных значениях жесткости пружины кручения сошниковой группы выявило, что её увеличение приводит к снижению времени переходного процесса (траектория движения сошника представляет собой затухающие колебания - кривая 2), но при этом возрастает нагрузка на брус крепления сошниковой группы. Для соблюдения баланса между агротехническими требованиями на равномерность глубины высева и минимальной металлоемкостью деталей крепления сошниковой группы определена суммарная реакция Ру от сил, действующих на сошник, в точке крепления его механизма подвеса к раме агрегата.

При поступательном движении на сошник действуют силы в продольно-вертикальной Р}х и продольно-горизонтальной Р2Х плоскостях. В продольно-вертикальной плоскости (рисунок 5, а) приложены: Gmg - сила тяжести сошника (Н), составляющая тягового усилия Pix (Н) и сопротивление почвы Rj (Н), разложенное на составляющие: нормальную N] (Н) и касательную FTp (Н). При работе в однородной по составу почве эти силы сводятся к одной равнодействующей, расположенной в продольно-вертикальной плоскости.

В проекции на ось ОХ при Ni=k-h-a; Fmp=Nj-f, сила Pix равна:

р\х =к-а-Н-{5т(е-<рь)+/-со*{Е-(р0)), (10)

где к - удельное сопротивление почвы, Н/м2;

а, к - толщина груди и глубина хода сошника, м; /- коэффициент трения почвы;

е - угол наклона касательной к криволинейной поверхности нараль-ника сошника в точке приложения силы сопротивления почвы, град.

В продольно-горизонтальной плоскости на сошник действуют (рисунок 5, б): - сила динамического давления, обусловленная инерцией почвы отбрасываемой в стороны боковой гранью сошника (Н), N2 - усилие со стороны почвы на боковую грань сошника (Н) и - результирующая элементарных нормальных давлений и сил трения на боковой поверхности клина (Н).

г

а У

_

ё аЛ

Рисунок 5 - Схема сил, действующих на сошник в продольно-вертикальной (а) и в продольно-горизонтальной плоскостях (б)

Уравнение для определения горизонтальной составляющей Р2Х

при

М2 =

а-к-

Б ■

Роб

р -5 1Ш

2-а-к-роб 2

_а-к-5-роб '2Х~-г"-

Ъgц/

'СОЪЛ^^Л+^р)-

к0

8

, 2-а-И-роб

8

где 5 - длина клина, м;

роб - объемный вес почбы, Н/м3; ^ - угол укладки частиц, град; А — угол заострения наральника, град.

эш— имеет вид:

■ьтА^А+^у (11)

Первый член правой части уравнения (11) характеризует усилие, необходимое для преодоления статического давления почвы на боковые грани сошника, обусловленное силой М2, второй - усилие, необходимое для преодоления сил инерции Рш отбрасываемой почвы.

Для определения реакции Р£ в точке крепления сошниковой группы составлена система из уравнения моментов сил относительно точки О и уравнений проекций сил на оси ОХ и 02.

а±5ро6

¿-■а-Ь'Роб,

Ъ&Г g

(12)

2-а-к-р'я -> +--Уд5ПУА- 1%(Л+(рур)

где 3, Ъ - координаты центра масс системы.

Выразив из первого уравнения системы переменную ср0 найдем тяговое сопротивление килевидного сошника Рх и вертикальную составляющую Р7. Суммарная реакция в опоре определиться как:

(13)

Графически решение уравнения (13) представлено на рисунке 6.

Рисунок 6 - Влияние скорости движения У0 (м/с) и угла наклона е (град) на суммарную реакцию РI в опоре при: с = 220 Н/рад; 5 = 50°; у = 30°; / = 0,24 м; т = 1,5 кг; Ъ = 0,2 м; а = 0,024 м; Л = 20°; г = 0,34 м; И = 0,06 м; аК= 55°; соГр= 20°; ров= 12 кН/м3;/?= 10°.

Р0,м/с 2,1

Наибольшее влияние на реакцию Рг в точке крепления сошниковой группы оказывает глубина хода /г сошника и его скорость движения V, наименьшее - угол наклона е касательной к криволинейной поверхности нарзльника сошника.

Первоначально определенные согласно условиям устойчивости движения сошниковой группы, как одному из агротребований к рав-

номерности посева, её основные параметры необходимо соотнести по силовой нагрузке в опоре крепления для соблюдения условия оптимальной металлоемкости и компактности конструкции.

В результате теоретических исследований выявлено, что для опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата при скорости движения до 2,1 м/с и глубине хода сошника от 0,04 до 0,08 м оптимальными параметрами сошниковой группы являются: жесткость пружины с = 220...230 Н/рад., длина поводка I = 0,22...0,25 м, начальный угол установки поводков сошника ак= 50...55°.

В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" приведена программа экспериментальных исследований, которая проводились согласно ГОСТ, ОСТ и общепринятыми методиками испытаний машин для обработки почвы и посева. Статистическая обработка данных осуществлялась с помощью программ AGROS 207 и Microsoft Excel 2007, построение поверхностей отклика моделей регрессии - с помощью программы Statgraphics Plus 5.1.

Сравнительные исследования сошников включающие в себя опыты по определению тягового сопротивления и параметров бороз-дообразования проводились в почвенном канале на лабораторной установке (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схема лабораторной установки для определения тягового сопротивления сошников (а) и её общий вид (б): 1 - динамометр, 2 - видеокамера, 3 - па-раллелограммный механизм подвеса сошникового бруса, 4 - устройство для изменения угла наклона сошников, 5 - сошники килевидные, 6 - рама тележки

В четвёртой главе "Результаты экспериментальных исследований" представлены данные сравнительных исследований сошников по качеству бороздообразования и посева, изучено влияние основных параметров сошниковой группы на качество и энергоёмкость выполнения технологического процесса, проведена оценка работоспособности почвообрабатывающе-посевного агрегата.

Для выбора типа сошника, обеспечивающего компактность и низкую металлоемкость сошниковой группы при высоком качестве посева, проведены сравнительные лабораторно-полевые исследования двухдискового, анкерного и килевидного сошников.

В ходе лабораторных исследований определялось влияние типа сошника на параметры бороздообразования: гребнистость Аср поверхности поля и площади поперечного сечения: борозды 5/, гребней и почвы Бз, вынесенной далее 75 мм от оси борозды. Увеличение площади Б] указывает на снижение глубины заделки семян, рост площади - о перемещении частиц вверх, что способствует иссушению почвы; величина площади Б3 - о перекрытии почвы, отброшенной соседними сошниками. Наиболее приемлим тип сошника, при работе которого величины Аср, ¿>/, и ^ минимальны.

Исследования проведены в почвенном канале на дерново-подзолистой супесчаной почве влажностью 8,3 и 14,4 % при глубине установки сошников 60 мм. При влажности РГ=8,3% твёрдость почвы в слое до 0,1 м равнялась 0,58 МПа, от 0,1 до 0,2 м - 0,88 МПа, плотность вслоедо 0,1 м- 1,23-103кг/м3; при ЯМ 4,4% твёрдость в слое до 0,1 м-0,85 МПа, от 0,1 до 0,2 м - 1,10 МПа, плотность - 1,18 103 кг/м3.

Движение дискового и килевидного сошников в почве влажностью ¡¥=8,3% вызывает наименьшие значения гребнистости Аср - на 12...30% меньше, чем при проходе анкерных сошников (рисунок 8, а).

Площадь 5/ поперечного сечения борозды у килевидного и дискового сошников с ростом скорости движения незначительно возрастает, у дискового сошника увеличивается на 16%, килевидного - на 21%, при этом у анкерного - почти в 4 раза (рисунок 8, г). Работа килевидного сошника сопровождается уплотнением дна борозды, оставляя стенки рыхлыми, которые после прохода сошника свободно осыпаются, закрывая борозду. Дисковый сошник, разводя в стороны почву, уплотняет стенки борозды, оставляя дно рыхлым, без осыпания стенок борозды, что требует заделки борозд. При этом анкерный сошник выносит наибольшее количество почвы за ± 75 мм от оси борозды, на 66..68% превышающее значения этого параметра у килевидного и дискового сошников (рисунок 8, б).

При влажности почвы 14,4% в целом наблюдаются аналогичные процессы при несколько более высоких значениях показателей.

По качеству бороздообразования наиболее приемлемыми для применения в посевной части агрегата являются сошники с тупым углом вхождения почву: двухдисковый и килевидный.

V

мм 13 11 9 7 5

■

■ 3 1 1 ■

Т!

~в

О 0,7

800 Ч

мм 400

1,3 а

1,9 Км/с 3,1

?

1- 2

\ Д.

Т"

1400

ч

мм 600 200.

1 2 3 9

? О

7 • •

О 0,7 1,3 1,9 V,м/с 3,1

V,м/с 3,1

1 - анкерный сошник, 2 - дисковый сошник, 3 - килевидный сошник

Рисунок 8 - Влияние типа сошника на гребнистость Аср, (мм) поверхности (а), площадь 5} (мм2) гребней далее 75 мм от оси борозды (б), площадь Б2 (мм2) гребней (в) и площадь Б/ (мм2) борозды (г)

В ходе сравнительных исследований изучено влияние типа сошника на качество посева, в частности на глубину 1гс (мм) и неравномерность заделки семян, а также на урожайность культуры.

Опыты проводились в диапазоне скоростей до 2,75 м/с на дерново-подзолистой супесчаной почве при твердости по слоям 0...0,1 м - 0,75 МПа, 0,1...0,2 м- 1,23 МПа. Влажность почвы составляла 18,7%, плотность - (1,15...1,21)-103 кг/м3, гребнистость поверхности -21 мм. Высеваемая культура - овес. Норма высева - 270 кг/га. Предшествующая обработка: вспашка на 0,18 м плугом ПЛН-3-35 и культивация с боронованием КПС-4,0-02+БЗСС-1,0. Посев осуществлялся сеялкой СКС-6/10, оснащенной комплектом изучаемых сошников (по два сошника каждого типа с междурядьем 0,15м). Установочная глубина заделки семян - 50 мм.

Все типы сошников осуществляют посев семян в соответствии с агротребованиями. Килевидные сошники обеспечивают наименьшее снижение глубины заделки семян с ростом скорости движения - на 15,4% от установленной, что положительно сказывается на равномерности появления всходов. Работа анкерных и двухдисковых сошников сопровождается снижением глубины заделки - на 25,3% и 39,6% соответственно. Её среднее квадратическое отклонение о у

всех сошников с ростом скорости изменяется незначительно в пределах 3,5...5,0 мм. При этом наблюдается увеличение коэффициента вариации v у килевидных, анкерных и дисковых сошников на 19,0%, 44,4% и 30,3% соответственно.

Двухфакторный дисперсионный анализ посредством программы AGROS 207 показал, что существенное влияние на урожайность оказывает тип сошника. Применение килевидных сошников обеспечило прибавку урожая по сравнению с анкерными и дисковыми на 9,8% и 23,1% соответственно. Изменение скорости движения не оказало существенного влияния на урожайность независимо от типа сошника.

Комплексная оценка работы исследуемых сошников показала, что наиболее приемлим килевидный сошник. Он образует в почве бороздку с уплотненным дном и рыхлыми стенками, что положительно влияет на развитие семян. При работе килевидного сошника отмечается наименьшая гребнистость поверхности. Площади поперечного сечения борозд и гребней с ростом скорости меняется незначительно, свидетельствуя о стабильности процесса бороздообразования. Вынос почвы за 75 мм от оси борозды минимален, что позволяет устанавливать килевидные сошники в один ряд с междурядьем 0,15 м.

Одним из основных параметров сошниковой группы является угол наклона г сошника, непосредственно влияющий как на энергоёмкость процесса бороздообразования, так и на компактность конструкции - возможность установки сошников в один ряд с минимальным междурядьем. Для определения его оптимального значения реализован план эксперимента Бокса-Бенкина второго порядка для трех факторов: глубина хода сошника Tz=60±20 мм; скорость движения при оценке: бороздообразования - F=l,7±l,0 м/с, энергоемкости - Г-1,3±0,8 м/с; угол наклона наральника сошника т=110±15°. Эксперименты проводились в почвенном канале на лабораторной установке (рисунок 7).

Критериями оптимизации выбраны площадь S¡ сечения гребней далее 75 мм от оси борозды и показатель, характеризующий энергоемкость процесса - тяговое сопротивление Рх сошника. Получены модели регрессии, адекватно описывающие рабочий процесс (F-критерий Фишера при вероятности р = 0,95):

S3 = 65,9 + 100,9-F+ 105,4-й - 135,8-г + 61,3-V-h - 109,5-V-т +

+22,4-й2 - 62,5-/гт + 41,6т2, (14)

Рх = 38,8 + 5,9- У+ 8,9 -к +1,8т -2,5-V2 + 3,2-К-А + 0,3-У-т-

- 2,2-й 2 + 0,7-йт. (15)

Увеличение угла г наклона сошника и снижение скорости движения У приводит к уменьшению количества почвы, отбрасываемой на расстоянии далее 75 мм от оси борозды, при всех значениях глубины к погружения сошника в почву. При глубине /г=60 мм отсутствие выброса почвы далее 75 мм от оси борозды достигается при углах наклона сошника т>119° во всем диапазоне скоростей (рисунок 9, а). С увеличением угла наклона г и ростом скорости движения V независимо от глубины установки сошника его тяговое сопротивление Рх возрастает. Так при глубине хода сошника й=60 мм увеличение угла наклона г с 95° до 125° приводит в росту Рх на 14,2% (рисунок 9, б).

Рисунок 9 - Зависимость площади (мм2) гребней далее 75 мм от оси борозды (а) и тягового сопротивления Рх (Н) сошника (б) от угла наклона сошника т (град) и скорости движения V (м/с) при А = 60 мм

Анализ влияния угла наклона сошника при различных режимах работы на параметры бороздообразования и тяговое сопротивление выявил, что его оптимальное значение составляет 1 19...325°. При таком угле наклона и глубине хода сошников до 60 мм нет выноса почвы далее 75 мм от оси борозды, что позволяет устанавливать сошники в один ряд с междурядьем 0,15 м. При этом установка сошников с меньшими углами наклона снижает их тяговое сопротивление.

Для оценки возможности использования приводного ротора ротационного рыхлителя в качестве привода высевающих аппаратов проведён эксперимент по определению скольжения приводного ротора с опорными ребордами и без них. Условия опыта: супесчаная дерново-подзолистая почва с твердостью по слоям 0...0,1 м - 0,65 МПа, 0,1.. .0,2 м - 0,7 МПа, влажность - 10,8%. Фон - чистый пар. Предшест-

2,1

вующая обработка - вспашка на 0,2 м ПЛН-3-35. Исследования проводились на пяти скоростных режимах в интервале 0,95... 1,70 м/с.

Опорные реборды обеспечили постоянную глубину погружения ротора, что стабилизировало частоту вращения высевающих аппаратов и снизило варьирование скольжения ротора при изменении скорости движения. При наличии опорных реборд увеличение скорости движения приводит к снижению скольжения приводного ротора с 7% до 5,2%, а при их отсутствии с 21% до 13% соответственно.

Для оценки агротехнических показателей работы опытного образца агрегата изучено влияние скорости движения на качество обработки почвы и заделки семян. Исследования проводились на супесчаной и среднесуглинистой дерново-подзолистой почве. Предшественник - чистый пар. На супесчаной почве влажность составляла 13,5%, твердость - 1,75 МПа, плотность в слое 0...0,1 м - 1,38-103 кг/м3, греб-нистость - 28 мм; на суглинке - влажность - 15%, твердость - 0,9 МПа, плотность - 0,95-103 кг/м3и гребнистость - 56 мм.

Агротехническая оценка показала, что агрегат устойчиво выполняет технологический процесс предпосевной обработки почвы и посева, обеспечивая требуемую глубину обработки почвы и заделки семян. При этом на супеси содержание фракции почвы до 25 мм равно 97%, на суглинке - 92%. Гребнистость поверхности поля на супесчаной почве составила 12 мм, на суглинистой - 18 мм, плотность в слое 0.. .0,1 м соответственно - 1,28-103 и 1,22-103 кг/м3.

Вне зависимости от типа почвы с ростом скорости средняя глубина заделки семян уменьшается на 5...7 мм (рисунок 10), при этом её среднее квадратическое отклонение на среднесуглинистой почве находится в пределах 4 мм, коэффициент вариации V - 8.. .10%; на супесчаной почве а возрастает с 2 до 4 мм, а V - с 5 до 13%. Семян на поверхности почвы не наблюдалось.

-14 - у,%

-8

-6 _ 4

1,3 1,6

2,5 V,м/с 3,1

14 50

Ас,мм

а, мм

10 30

8 20

6 10

4 0

Л

3 »

»^2

/ ,

супесчаная почва

среднесуглинистая почва

Рисунок 10 - Влияние скорости движения V (м/с) на глубину Ис (мм) заделки семян (1), её среднее квадратическое отклонение а (мм) (2) и коэффициент вариации V (%) (3)

В пятой главе "Реализация результатов исследований" приведены результаты ведомственных испытаний опытного образца почво-обрабатываюице-посевного агрегата (рисунок 11). Для оценки эффективности его применения заложен полевой опыт но определению технологии предпосевной обработки почвы и посева, обеспечивающей наибольшую урожайность высеваемой культуры при наименьших энергозатратах. В ходе опыта применение опытного образца агрегата сравнивалось с традиционными технологиями: предпосевная обработка - дискатор БДМ-2,2; культиватор КБМ-4,2; культиватор КПС-4,0+ БЗСС-1,0; посев - сеялка С3-3,6.

Рисунок 11 - Опытный образец почвообрабатывающе-посевиого агрегата

Данные опыта показали, что использование опытного образца агрегата снижает удельный расход топлива на выполнение операций предпосевной обработки почвы и посева на 1,2... 1,9 кг/га, затраты труда на 10,1...30,6%, а также повысило урожайность овса в 2010 году па 8,36...20,4%, в 2011 году - на 12,2...17,2%, что обеспечило наиболее высокий, среди рассматриваемых способов предпосевной обработки почвы, и посева коэффициент энергетической эффективности (Кээ) за два года исследований равный 2.56.

Расчетный экономический эффект от внедрения опытного образца агрегата в сравнении с обработкой почвы РБР-4А и посевом С3-3,6 равен 344,9 руб/га при сроке окупаемости 3,86 года, а в сравнении с агрегатом почвообрабатывающе-посевным АП11-ЗА -410,5 руб/га и 3,24 года соответственно.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен способ обработки почвы и посева, включающий выполнение за один проход предпосевной обработки почвы (в т.ч. полосное рыхление, культивацию, фрезерование и выравнивание), внесения стартовой дозы минеральных удобрений, посева и послепосевного прикатывания, и конструктивно-технологическая схема агрегата для его осуществления (пат. № 2436271, № 2477036), в основе почвообрабатывающей части которого - ротационный рыхлитель, а посевной - сеялка рядового посева с сошниковой группой из киле-видных сошников, расположенных на поводках в виде прицепов пружин кручения.

2. Получены аналитические выражения (9, 12) для определения основных параметров сошниковой группы, использование которых позволило определить их оптимальные значения: жесткость пружины кручения с = 220...230 Н/рад., длина поводка / = 0,22...0,25 м, начальный угол установки поводков сошника ак = 50...55°.

3. Килевидные сошники за счет создания наиболее благоприятных условий для произрастания семян обеспечивают по сравнению с анкерными и дисковыми прибавку урожая на 9,8% и 23,1% соответственно.^ Работа килевидных сошников на дерново-подзолистой супесчаной почве сопровождается наименьшими значениями гребни-стости - 7...9 мм, что на 24% и 73% меньше, чем у дисковых и анкерных сошников соответственно.

4. Анализ моделей регрессии (14, 15) функционирования киле-видного сошника выявил, что оптимальными углами наклона сошника являются г — 119... 125°, при которых не наблюдается выноса почвы на расстояние далее 75 мм от оси борозды при глубине хода сошников И = 60 мм и движении со скоростью до 2,7 м/с, что позволяет устанавливать их в один ряд с междурядьем 0,15 м.

5. Установка на приводной ротор агрегата опорных реборд стабилизирует его скольжение за счет постоянной глубины погружения почвозацепов. С ростом скорости движения агрегата скольжение ротора при наличии опорных реборд снижается с 7,0 до 5,2 % , при их отсутствии - с 21% до 13% соответственно.

6. Испытания опытного образца агрегата показали, что предпосевная обработка дерново-подзолистой почвы и посев озимой ржи выполняется согласно агротехническим требованиям, машина устойчиво выдерживает рабочую ширину захвата и установочную глубину обработки. На среднесуглинистой почве содержание фракции почвы с раз-

мером частиц до 25 мм составило 92%, на супесчаной - 97%; гребни-стость поверхности поля - 18 и 12 мм; плотность в слое до 0,10 м 1,22-103 кг/м3 и 1,25-103 кг/м3 соответственно. Средняя глубина заделки семян на среднесуглинистой почве составила !гс = 37 мм при среднем квадратическом отклонении о = 3,2 мм и коэффициенте вариации V = 9,4%; на супесчаной - Ис = 28 мм при а = 2,9 мм и V = 9,8%.

7. Оценка эффективности технологий предпосевной обработки почвы и посева показала, что использование опытного образца агрегата снижает расход топлива на 1,2...1,9 кг/га, трудоемкость - на 10,7...30,6% и увеличивает урожайность в среднем за два года на 10,2...15,7% при коэффициенте энергетической эффективности 2,56. Расчетный экономический эффект от его внедрения в сравнении с обработкой почвы РБР-4А и посевом С3-3,6 равен 344,9 руб/га при сроке окупаемости 3,86 года, а в сравнении с АПП-ЗА - 410,5 руб/га и 3,24 года соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Черемисинов, Д.А. Обоснование оптимальных параметров сошниковой группы комбинированного а1регата для обработки почвы и посева / С.Л.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. -2012. -№4(29). -С. 67-71.

2. Черемисинов, Д.А. Агрегат для предпосевной обработки почвы и посева / СЛДёмшин, Д.А.Черемисинов // Сельский механизатор. - 2012. - № 10. - С. 6-7.

3. Черемисинов, Д.А. Разработка и результаты исследований почвообрабахы-вающе-посевного агрегата АППН-2,1 / С.Л.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Достижения науки и техники в АПК. - 2012. - № 10. - С. 68-70.

4. Черемисинов, Д.А. Комбинированный агрегат для предпосевной обработки почвы и посева / СЛ.Дёмшин, Е.А.Владимиров, Д.А.Черемисинов // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2012. - №6 - С. 42-44.

5. Черемисинов, Д.А. Оценка эффективности использования комбинированного агрегата для предпосевной обработки почвы и посева / Д.А.Черемисинов, Е.Н.Носкова, С.Л.Дёмшин, Л.М.Козлова // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2013. - №1 (32). - С. 60-64.

6. Черемисинов, Д.А. Анализ конструкций сошников сеялок и посевных агрегатов/ Д.А.Черемисинов // Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. молодых учёных, аспирантов и соискателей, посвящ. 80-летию Вятской ГСХА: Сб. науч. тр.: В 3 ч. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - Ч.П. - С. 224-226.

7. Черемисинов, ДА. Ресурсосберегающая технология предпосевной обработки почвы и посева / Е.А.Владимиров, Д.А.Черемисинов // Энергоресурсосберегающие технологии и технические средства для их обеспечения в сельскохозяйственном производстве: Материалы Междунар.науч.-пракг.конф. молодых учёных. - Минск, 2010. - С. 11-15.

8. Черемисинов, Д.А. Анализ технологических схем и конструкций комбиниро-

ванных агрегатов для обработки почвы и посева / Д.А.Черемисинов // Материалы III Междунар.науч.-практ.конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение»-Сб.науч.тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - Вып.11. - С.218-222.

9. Черемисинов, Д.А. Комбинированный агрегат для обработки почвы и посева / С.ЛДёмшин, Д.А.Черемисинов // Материалы IV Междунар.науч.-практ.конф. «Наука-Технология -Ресурсосбережение»: Сб.науч.тр. - Киров: Вятская ГСХА 2011.-Вып. 12.-С. 13-18.

10. Черемисинов, Д.А. Результаты исследований комбинированного агрегата для обработки почвы и посева с килевидными сошниками / С.Л.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Материалы IV Междунар.науч.-практ.конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение»: Сб.науч.тр. - Киров: Вятская ГСХА 2011 -Вып. 12. - С 23-27.

11. Черемисинов, Д.А. Разработка комбинированного агрегата для осуществления ресурсосберегающего способа обработки почвы и посева / С.Л.Дёмшин. Е.А.Владимиров, Д.А.Черемисинов // Материалы Междунар.науч.-практ.конф' «Актуальные вопр. совершенствования технологии с.-х. пр-ва»: Мосоловские чтения. - Йошкар-Ола: Марийский гос. ун-т, 2011. - Вып. XIII. - С. 181-185.

12. Черемисинов, Д.А. Разработка агрегата для предпосевной обработки почвы и посева / СЛ.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // XVII Mi?dzynarodowa Konferencja Naukowa «РгоЫешу intensyfikacji produkcji zwierz?cej z uwzgl?dnieniem ochrony srodowiska i standardöwue». - Warszawa, 2011,- C. 20-27.

13. Черемисинов, Д.А. Разработка комбинированного агрегата для осуществления ресурсосберегающего способа обработки почвы и посева 1 С.Л.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Материалы Междунар.науч.-техн.конф.: Сб науч докл - М • ВИМ, 2011. - Т. 1 - С. 80-89. '

14. Черемисинов, Д.А. Разработка агрегата для предпосевной обработки почвы и посева / СЛ.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Вестник Нижегородского гос. инженерно-экономического ин-та. Технические науки. - Княгинино: Нижегородский ГИЭИ, 2012. - Вып.4 (11). - С. 140-151.

15. Черемисинов, Д.А. Сравнительные исследования процесса бороздообразо-вания сошниками различных типов / СЛ.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Материалы V Междунар.науч.-практ.конф. «Наука-Технология - Ресурсосбережение»: Сб.науч.тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2012. - Вып. 13. - С. 30-35.

16. Черемисинов, Д.А. Определение оптимальных параметров сошников агрегата для обработки почвы и посева / С.Л.Дёмшин, Д.А.Черемисинов // Материалы V Междунар.науч.-практ.конф. «Наука-Технология - Ресурсосбережение»: Сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2012. - Вып. 13. - С. 25-30.

17. Пат. 2436271 РФ, МПК5 А01В 79/02. 49/06. Способ обработки почвы и посева и устройство для его осуществления; Заявитель и патентообладатель ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии / С.Л.Дёмшин, ВЛ.Андреев, Д.А.Черемисинов и др. Заявл. 28.12.2009; опубл. 20.12.2011, Бюл.№35 - 15 с

18. Пат. 2477036 РФ., МПК8 А01В 49/06, А01В79/02. Агрегат для предпосевной обработки почвы и посева; Заявитель и патентообладатель ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии / СЛ.Дёмшин, В.Л.Андреев, Е.А. Владимиров, Д.А.Черемисинов. Заявл. 08.07.2011; опубл. 10.03.2013, Бюл.№7. - 10 с.

Подписано в печать 25.04,2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 27

Отпечатано с оригинал-макета. Типография ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии. 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166-а.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ЗОНАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СЕВЕРО-ВОСТОКА имени Н.В. РУДНИЦКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕ-ПОСЕВНОГО АГРЕГАТА И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЕГО СОШНИКОВОЙ ГРУППЫ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент С.Л. Дёмшин

Киров-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................8

1.1 Общая характеристика технологий предпосевной обработки почвы и посева............................................................................................................................8

1.2 Анализ комбинированных агрегатов для предпосевной обработки почвы и посева............................................................................................................11

1.3 Сошники и сошниковые группы почвообрабатывающе-посевных агрегатов................................................................................................................27

1.3.1 Сошниковые группы с дисковым сошником....................................27

1.3.2 Сошниковые группы с анкерным сошником....................................32

1.3.3 Сошниковые группы с килевидным сошником..............................35

1.4 Агротехнические требования к предпосевной обработке почвы

и посеву..............................................................................................................................................38

1.5 Краткий обзор научных работ по теории движения сошника..........39

1.6 Цель и задачи исследования..........................................................................................45

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................47

2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы почвооб-рабатывающе-посевного агрегата............................................................................47

2.2 Определение основных параметров сошниковой группы..................51

2.3 Определение реакции от сил, действующих на сошник, в точке крепления сошниковой группы к раме..................................................................63

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................................................70

3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований......................70

3.2 Экспериментальные установки, приборы и оборудование..............70

3.3 Методика определения жесткости пружины кручения сошниковой группы..............................................................................................................................75

3.4 Методика определения глубины заделки семян..........................................76

3.5 Методика определения параметров бороздообразования..................78

3.6 Методика определения основных физико-механических свойств почвы..............................................................................................................................80

3.7 Методика определения скольжения приводного ротора..................82

3.8 Методика определения нормы высева семян и удобрений..............83

3.9 Методика определения расхода топлива..........................................................84

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................86

4.1 Сравнительные исследования сошников различного типа................86

4.1.1 Сравнительные исследования сошников по качеству бо-роздообразования.......................................................... 86

4.1.2 Сравнительные исследования сошников по качеству посева............................................................................ 94

4.2 Определение оптимальных параметров сошниковой группы... 98

4.3 Оценка эффективности функционирования почвообрабаты-вающе-посевного агрегата............................................... 106

5 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ..................... 113

5.1 Испытания опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата....................................................................... 113

5.2 Экономическая оценка использования опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата................................ 119

5.3 Энергетическая оценка использования опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата............................... 122

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................... 126

ЛИТЕРАТУРА............................................................................ 128

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................... 140

Приложение А Патент РФ на изобретение № 2436271, МПК8 А01В 79/02, 49/06. Способ обработки почвы и посева и устройство для его осуществления................................ 141

Приложение Б Патент РФ на изобретение № 2477036, МПК8 А01В 79/02, 49/06. Агрегат для предпосевной обработки почвы и посева......................................................... 156

Приложение В Факторы, уровни их варьирования и значения критериев оптимизации при реализации плана эксперимента

Бокса-Бенкина второго порядка............................... 166

Приложение Г Расчёт годового экономического эффекта от использования опытного образца почвообрабатывающе - посевного агрегата...................................................... 168

Приложение Д Акт внедрения опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата............................................. 171

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение потребностей населения в качественных, достаточных по объёму и ассортименту продуктах питания, а перерабатывающей промышленности -в сырье при минимальных энегрозатратах и с учетом требований экологической безопасности является основной задачей агропромышленного комплекса Российской Федерации.

Развитие адаптивно-ландшафтного земледелия предъявляет повышенные требования к выбору технологии возделывания сельскохозяйственных культур. При этом должны решаться следующие задачи: сохранение и повышение плодородия почвы, изменение ее строения и агрегатного состава с целью создания наиболее благоприятных для растений водно-воздушного, теплового и питательного режимов, активизация микробиологических процессов, очищение почвы от сорняков, а также возбудителей болезней [62, 99].

Актуальность темы исследования. При существующих технологиях возделывания сельскохозяйственных культур количество проходов различных машин по полю достигает 10... 15 раз, что приводит к уплотнению более 80% поверхности поля [45]. Вследствии этого перспективным направлением модернизации сельскохозяйственной техники для растениеводства является разработка комбинированных агрегатов, которые за один технологический проход выполняют комплекс агротехнических операций. Наиболее рационально их использование при совмещении операций предпосевной обработки почвы и посева. Применение поч-вообрабатывающе-посевных агрегатов создает благоприятные условия для вегетации растений за счёт лучшего качества обработки, сохранения почвенной влаги, а кроме того сокращает время производственного цикла, уменьшает вредное воздействие ходовых систем машин на структуру почвы. Агроландшафтные условия Северо-Востока европейской части РФ, отличающиеся мелкоконтурностью полей с достаточно неровным рельефом, ограничивают применение широкозахватных почвообрабатывающе-посевных комплексов. В связи с этим разработка навесных комбинированных агрегатов для предпосевной обработки почвы и посева является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой РАСХН 09.01.02.02 "Разработать комбинированный агрегат для предпосевной обработки почвы с возможностью посева семян зерновых и кормовых культур при одновременном внесении минеральных удобрений".

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности технологии предпосевной обработки почвы и посева посредством обоснования конструктивно-технологической схемы почвообрабатывающе-посевного агрегата и оптимизации основных параметров его сошниковой группы.

Для достижения данной цели определены задачи исследования:

- обосновать конструктивно-технологическую схему почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- провести теоретические исследования по выбору основных параметров сошниковой группы почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- провести сравнительные исследования основных типов сошников, определить оптимальные параметры сошниковой группы почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- провести испытания опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата, определить экономическую и энергетическую эффективность его использования.

Научная новизна. Предложен способ обработки почвы и посева, включающий выполнение за один проход предпосевной обработки (в т.ч. полосное рыхление, культивацию, фрезерование и выравнивание), внесения стартовой дозы минеральных удобрений, посева и послепосевного прикатывания, и разработана конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающе-посевного агрегата для его осуществления, в основе почвообрабатывающей части которого использован ротационный рыхлитель, а посевной - сеялка рядового посева с сошниковой группой из килевидных сошников, расположенных на поводках в виде прицепов пружин кручения. Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения №2436271 и №2477036.

Получены математические модели функционирования килевидного сошника, позволяющие определить оптимальные конструктивно - технологические параметры сошниковой группы.

Теоретическая и практическая значимость. Выведены аналитические зависимости для определения основных параметров сошниковой группы предложенной конструкции и усилий, действующих в точке крепления сошниковой группы к раме.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований обоснована конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающе-посевного агрегата, использование которого повышает эффективность предпосевной обработки почвы и посева.

С учетом результатов исследований почвообрабатывающе-посевного агрегата разработана конструкторская документация и изготовлен его опытный образец, который используется на опытном поле ГНУ НИИСХ Северо-Востока Рос-сельхозакадемии.

Методология и методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны процесс предпосевной обработки почвы и посева, почвообрабатывающе-посевной агрегат и его рабочие органы.

Экспериментальные исследования проводились по стандартным и разработанным методикам. При реализации, подготовке и обработке их результатов применялись методы планирования эксперимента и математической статистики с применением ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающе-посевного агрегата;

- аналитические зависимости для выбора основных конструктивно-технологических параметров сошниковой группы почвообрабатывающе-посевного агрегата и определения усилий в точке крепления сошниковой группы к раме агрегата;

- модели регрессии функционирования сошниковой группы почвообрабаты-вающе-посевного агрегата;

- оптимальные параметры сошниковой группы почвообрабатывающе-посев-ного агрегата;

- результаты испытаний опытного образца почвообрабатывающе-посевного агрегата, расчетная эффективность его использования.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований почвообрабатывающе-посевного агрегата и его сошниковой группы, а также ведомственных испытаний опытного образца агрегата, разработанного при участии автора.

Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО "Вятская ГСХА", г.Киров (2010...2013 гг.), ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г.Киров (2012 г.), ФГБОУ ВПО "Аграрно-технологический институт", г.Йошкар-Ола (2011 г.).

По материалам исследований опубликовано 18 научных работ, в т.ч. 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, получены 2 патента РФ на изобретения.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту С.Л. Дёмшину, сотрудникам лаборатории механизации полеводства и лаборатории земледелия и мелиорации ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, кандидату технических наук Е.А. Владимирову за помощь в выполнении данной работы, а также преподавателям и аспирантам Вятской ГСХА за ценные замечания и предложения при апробации результатов исследований.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая характеристика технологий предпосевной обработки почвы и

посева

Среди комплексных агротехнических мероприятий, направленных на получение устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, качественная предпосевная обработка почвы и посев играют первостепенную роль. Оптимальные сроки посева, качественный семенной материал в совокупности с правильной, тщательной подготовкой почвы для посева, в процессе которой создается плотное, влажное ложе и рыхлый воздухопроницаемый слой почвы над семенами оптимальной толщины, являются базой для получения высоких урожаев зерновых культур [62]. На выполнение данных операций в настоящее время приходится около 35% трудовых и 40% энергетических затрат от всего комплекса полевых работ при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур. Принимая во внимание то, что операции по созданию благоприятных почвенных условий и посеву требуют значительных энергетических и материальных затрат, дальнейшее совершенствование их рационального использования, применительно к зональным особенностям и видам культур, - одна из важнейших задач механизации земледелия в современных условиях [12, 52].

На территории Кировской области, входящей в состав Северо-Восточного региона европейской части России, отчетливо проявляется широтная зональность, выраженная в закономерной смене климата, растительности и почв. В структуре почвенного покрова преобладают дерново-подзолистые (81,1%) и серые лесные (12,4%) почвы с малым по глубине пахотным горизонтом, низким содержанием гумуса, склонные к переуплотнению и заплыванию. По составу преобладают суглинистые почвы, занимающие 85% пашни, супесчаные и песчаные - 15%. Немаловажной особенностью является преобладание полей небольших размеров со сложной конфигурацией и неровным рельефом. Так, около 28% площади пашни занимают участки размером до 3 га, 25% - 3...8 га и 25% - 8...33 га [108, 110], что ограничивает применение широкозахватных орудий и обуславливает преимуще-

ственное использование почвообрабатывающе-посевных агрегатов, в т.ч навесного типа.

В настоящее время на Северо-Востоке европейской части РФ применяются следующие технологии обработки почвы и посева [48, 49, 62, 110]:

1) традиционная технология, включающая в себя последовательное выполнение зяблевой вспашки, ранневесеннего боронования, внесения минеральных удобрений, культивации, посева и прикатывания почвы.

Основными недостатками данной технологии является ее высокая энерго -и трудоемкость, необходимость использования значительного количества почвообрабатывающих и посевных машин. Кроме того значительное число проходов сельскохозяйственных машин и тракторов при проведении полевых работ приводит к переуплотнению почвы. За последние 20 лет контактные нагрузки от МТА на почву возросли более чем в 4 раза, что привело к снижению потенциальных урожаев сельскохозяйственных культур на 5...52% [3]. Кроме отрицательного влияния на плодородие почвы переуплотнение приводит к увеличению энергозатрат. Так, после прохода гусеничного трактора удельное сопротивление почвы по следу трактора увеличивается на 16%, для колесных тракторов - на 44...65%, что повышает расход топлива на 15...30% [40, 48]. Деградация почв по причине переуплотнения привела к необходимости внедрения почвозащитных технологий, предусматривающих сокращение технологических проходов.

2) посев при минимальных обработках почвы заключается в замене глубоких основной обработки почвы на более мелкие или безотвальные, что обеспечивает сокращение энергетических и трудовых затрат, снижает вредное воздействие на почву ходовых систем машин и тракторов. В результате обработки поверхность поля становится комковатой с большим количеством пожнивных остатков, не заделанных в почву, что требует для достижения качественного посева применения сеялок с дисковыми сошниками. Отрицательной стороной минимальной обработки почвы является увеличение засоренности посевов, в особенности многолетними сорняками.

3) прямой посев или "нулевая обработка" представляет собой высев зерновых культур по стерне предшествующих культур или дернине. Обработка почвы включает в себя формирование мелких бороздок для высева семян. Посев осуществляется сеялками-культиваторами. Борьба с сорняками проводится химическим путем, что требует достаточно больших затрат, а также при несоблюдении агрот-ребований приводит к загрязнению почвы и водоемов.

Несмотря на многообразие применяемых технологий обработки почвы и посева в Северо-Восточном регионе европейской части РФ многолетние исследования ученых Вятской ГСХА и НИИСХ Северо-Востока показали, что необходимо в зависимости от севооборота через один или два хода применения безотвальных �